Schaltregler. engl. Switching Regulator, DC-DC Converter. Ansatz: Anstelle des linear betriebenen Transistors einen Umschalter benutzten V 0 =D V S

Transkript

1 Schaltregler engl. Switching Regulator, DC-DC Converter Ansatz: Anstelle des linear betriebenen Transistors einen Umschalter benutzten V S V 0 Buck Converter (Abwärtsregler) V S Was ist zu erwarten? V 0 =D V S Mittelwert der Rechteckspannung 1

2 Buck Converter V/I Verlauf Betrachtungsweise LC als Mittelwert-Filter 2

3 Buck Converter Betrachtung V/I in Schalterphasen Phase 1 Cap. Current Diode ist in Sperrrichtung betrieben Spannung über L ist V S -V 0 Strom durch L nimmt linear zu Energie wird in Induktivität gespeichert Der Kondensator wird geladen Remember v i C L dil L dt dv C dt C 3

4 Buck Converter Betrachtung V/I in Schalterphasen Phase 2 Cap. Current Strom durch L muss weiter fliessen in gleicher Richtung Diode ist im Flussbetrieb (Schottky Diode verwenden) Spannung über L springt von V S -V 0 auf -V 0 -V D Strom durch L nimmt linear ab Induktivität gibt Energie an C weiter Remember v i C L dil L dt dv C dt C Note: Nutze Modell ideale Diode V D = 0 4

5 Buck Converter Betrachtung V/I in Schalterphasen Phase 2 Cap. Current Zeitlich parallel zum Laden: Sobald über C eine Spannung liegt fliesst ein Strom durch R Die Kapazität wird entladen Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Mittelwert der Rechteckspannung V 0 = D V S D = Tastverhältnis am Schalter, D = T on /(T on +T off ) V 0 weist einen geringen Dreieck Ripple auf mit der Schatlfrequenz 5

6 Buck Converter Dimensionierung Der sogenannte regulärer Betrieb ist gewährleistet solange der Strom durch die Induktivität nie den Wert 0 annimmt. Damit dies zutrifft muss die Induktivität eine Mindestgrösse besitzten: Die Kapazität wird so gross gewählt, dass Sich eine gewünschte Welligkeit der Ausgangsspannungergibt: Die Baugrösse der Spule wird durch maximalen Strom I L max bestimmt. 6

7 Ansteuerung des p-kanal MOSFET Abb. Bisher verwendete einfache Ansteuerung des p-kanal MOSFET Vorteil Einfache Ansteuerung Nachteile Eingangsspannung darf nur so hoch sein wie es der OPV erlaubt. P-Kanal MOSFETs haben schlechtere Eigenschaften als n-kanal MOSFETs: Sie sind langsamer Vertragen weniger Strom Haben einen höheren R DSon 7

8 Ansteuerung des n-kanal MOSFET Nachteil Steuerspannung am Gate muss höher sein als U e Lösung C1 wird in jedem Schaltzyklus auf die Spannung U e geladen Abb. Ansteuerschaltung des n-kanal MOSFET mit Gewinnung der Spannungsversorgung für die nötige hohe Gatespannung. 8

9 Buck Converter Praxis Regelung der Spannung über das Tastverhältnis D = V out /V in Ersetzen der Diode durch zweiten Power MOSFET Die DS- Spannung des eingeschalteten MOSFET ist viel kleiner als die Schwellspannung einer Diode => höherer Wirkungsgrad N-CH L wird oft über den berechnet Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn I a,min unterschritten wird. 9

10 Beispiel Buck Converter Chip L1 D1 C2 Buck IC 10

11 Beispiel Buck Converter Chip L1 D1 C2 Buck IC 11

12 Buck-Converter und Linearregler

13 128 GB SSD mit Schaltwandlern

14 Einstellung der Ausgangsspannung durch PWM U U p a e Durch Variation des Duty Cycle p kann U a eingestellt werden. Signale bei analoger Realisierung einer Pulsweitenmodulation Funktion U SZ Sägezahnsignal oder Dreiecksignal mit konstanter Frequenz U R Steuerspannung die die Pulsweite bzw. t ein einstellt U st Pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal entsteht aus dem Vergleich von U SZ mit U st mit einem Komparator (OPV ohne Gegen- und ohne Mitkopplung) 14

15 Blockschaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter U e U a U a U st U a U SZ U R Ua,soll 15

16 Vollständiges Schaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter 16

17 Boost Converter (Aufwärts-Wandler) v i C L dil L dt dv C dt C (A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb I I I : L,max L,min I t ein 1 U L e I L,max I L,min I t aus 1 (?) L 17

18 Boost Converter (Aufwärts-Wandler) v i C L dil L dt dv C dt C (A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb I I I : L,max L,min I L,max I L,min I t ein I t aus 1 U L e 1 L U a U e U a T Ue t au s 18

19 Boost Converter (B) Lückender Betrieb Nachteil Kondensator wird nur während kurzer Zeit aufgeladen => Hohe Welligkeit. Dimensionierung zur Einhaltung des regulären Betriebs Regulärer Betrieb verlangt 0 I L,min Damit dies erfüllt muss gelten (ohne Herleitung) : Ue taus p Ia Ia,min 2L Regeln für die Dimensionierung: Ue t L 2I aus a,min p I C T p U a a I L,max Ia Ue T p 1 p 2L tein p : T 19

20 Boost Converter in der Praxis N-CH P-CH Nie ohne Last! V out Tool: 20

21 Boost Converter Beispiel L Ue t 2I aus a,min p C Ia T U a p Schaltfrequenz f s = 50 khz Eingangsspannung U e = 1.2 V Ausgangsspannung U a = 5 V Wunsch Ripple U a = 0.2 V Min. Ausgangsstrom I a,min = 50 ma p = (U a -U e )/U a = 0.76 (76%) C 3.75 F L H 0.2* L wird oft über diesen Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn I a,min unterschritten wird. 21

22 Boost Converter: Applikation Batteriespeisung Solarzellen + hoher Wirkungsgrad - Ripple mit Taktfrequenz überlagert 22

23 Boost Converter Chip fs automatic adaptive up to 1 MHz 23

24 Klasse D Verstärker Vom Buck Converter zum Audio Verstärker Hohe Gleichspannung Lautsprecher Audiosignal Unterschiede: Tastverhältnis variabel Strom aus C f abziehen durch Last und nachladen über Buck L f, C f als Filter für 20 khz auslegen Taktrate so hoch wie möglich 24

25 Klasse D Verstärker N-CH und P-CH MOSFET 25

26 Klasse D Verstärker High Power mit Feedback Regelung für P out 26

27 Zusammenfassung FET sind auch als Schalter vielseitig: Digital Logik (CMOS) und Schalter für Analogsignale V DS muss dafür viel kleiner V GS -V t sein. Dimensionierung: V DS vorgeben, I D bestimmen, V GS berechnen. Lineare Spannungsregel zeigen ein sauberes Ausgangssignal, weisen aber meist einen schlechten Wirkungsgrad auf. Durch geschalteten MOSFET und Induktivität kann Energie von Eingangsquelle in Ausgangsquelle gewandelt werden. Tastverhältnis bestimmt Ausgangsspannung. typ. Wirkungsgrad > 90% Nachteil: Ausgangssignal enthält Ripple und spektrale Störungen Es gibt Abwärtswandler (Buck) und Aufwärtswandler (Boost) IC s bei denen nur L und C extern zugeschaltet werden müssen Ein Regelkreis sorgt für die korrekte Ausgangspannung bei variabler Quelle und Last 27

28 Buck & Boost Lab Berechnen und bauen sie nacheinander die folgenden getakteten Regler und messen die interessanten Grössen heraus: Variables D*, Vout, variable Last, Wirkungsgrad. Buck: 8 V DC auf 4 V DC, Laststrom 200 ma (4 R s parallel), fs = 5 khz, Ripple 100 mv Boost: 1.5 V AAA Batterie auf 3 V, Last 1..2 LED parallel à 20 ma, fs = 5 khz, Ripple 200 mv P N N Takt: 0V/8V Rechteck 50 Generator *Einige Lab Geni erlauben nur fixes D= 0.5 P.S. Steckbrett schlecht geeignet, erlaubt nur fs = khz und qualitative Resultate. RF = 4 L- Wert: nur 10 mh und 20 mh vorhanden P-Enh MOSFET: IRF9540 (V t V), N-Enh MOSFET: IRF 540 (V t 2 4 V), Diode: Schottky Power:1N