Stromversorgungsregelung

DC/DC-Spannungswandler werden häufig verwendet, um eine geregelte Spannungsversorgung von einer ungeregelten Spannungsquelle bereitzustellen. Ungeregelte Spannungsquellen können gleichgerichtete Netzspannungen sein, die aufgrund von Größenänderungen Schwankungen aufweisen. Geregelte Spannungsversorgungen liefern trotz schwankender Eingangsspannungsquellen und variabler Ausgangslasten eine durchschnittliche DC-Ausgangsspannung auf einem gewünschten Niveau (3,3 V, 2,5 V usw.). Zu den Faktoren, die bei der Entscheidung für eine geregelte Spannungsversorgungslösung zu berücksichtigen sind, gehören:

• Verfügbare Quelleneingangsspannungen
• Gewünschte Versorgungsausgangsspannungsgrößen
• Möglichkeit, Ausgangsspannungen herunterzufahren oder zu erhöhen oder beides
• DC-DC Wandler Wirkungsgrad (P_OUT / P_IN)
• Ausgangsspannung Welligkeit
• Ausgangslast-Einschwingverhalten
• Lösungskomplexität (eine IC-Lösung, Anzahl der passiven Komponenten, Controller und externen FETs)
• Schaltfrequenz (für Schaltregler)

In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Spannungsregler beschrieben.

Linearregler

Lineare Spannungsregler werden häufig für Step-Down-Anwendungen (Ausgangsversorgungsspannung ist niedriger als Eingangsquellenspannung) verwendet. Linearregler sind auch mit einer festen Ausgangsspannung oder einer variablen Ausgangsspannung erhältlich, wenn externe Vorspannungswiderstände verwendet werden.

Der Vorteil von Linearreglern ist die einfache Implementierung und minimale Teile (nur der IC im Falle eines festen Ausgangs) und eine geringe Ausgangswelligkeit. Der Hauptnachteil von Linearreglern ist der geringe Wirkungsgrad. Eine erhebliche Leistung wird innerhalb des Linearregler-IC abgeführt, da der Wandler ständig eingeschaltet ist und Strom leitet. Linearregler sollten verwendet werden, wenn der Unterschied zwischen Eingangsquellenspannung und Ausgangsversorgungsspannung minimal ist und die Wandlereffizienz kein Problem darstellt.

Schaltregler

Schaltspannungsregler werden üblicherweise sowohl für Step-up- als auch für Step-Down-Anwendungen verwendet und unterscheiden sich von Linearreglern durch die Implementierung der Pulsweitenmodulation (PWM). Schaltregler steuern die Ausgangsspannung über einen Stromschalter (intern oder extern zum IC-Regler) mit konstanter Frequenz und variablem Tastverhältnis. Schaltfrequenzen reichen in der Regel von wenigen kHz bis zu einigen hundert kHz. Das Schalt-Tastverhältnis bestimmt, wie stark und wie schnell die Ausgangsversorgungsspannung in Abhängigkeit vom Lastzustand und der Eingangsquellenspannung zu- oder abnimmt. Einige Schaltregler verwenden sowohl variable Schaltfrequenz als auch Tastverhältnis, aber diese werden nicht häufig für FPGA/CPLD-Anwendungen verwendet.

Der klare Vorteil von Schaltreglern ist der Wirkungsgrad, da minimale Leistung im Leistungspfad (FET-Schalter) abgeführt wird, wenn die Ausgangsversorgungsspannung für den Lastzustand ausreicht. Im Wesentlichen "schaltet" sich der Stromrichter ab, wenn aufgrund des minimalen Schaltzyklus keine Stromversorgung benötigt wird. Der Nachteil von Schaltreglern ist die Komplexität, da mehrere externe passive Bauelemente an Bord benötigt werden. Bei Hochstromanwendungen werden externe FET-ICs benötigt, da der IC-Wandler nur als Steuerlogik für den externen FET-Schalter fungiert. Die Ausgangsspannungswelligkeit ist ein weiterer Nachteil, der in der Regel mit Bypass-Kapazität in der Nähe der Versorgung und an der Last gehandhabt wird.

Buck Konverter

Abwärts- oder Abwärtsspannungswandler erzeugen eine durchschnittliche Ausgangsspannung, die niedriger ist als die Eingangsquellenspannung. Abbildung 1 zeigt eine grundlegende Buck-Topologie unter Verwendung idealer Komponenten. Die Induktivität dient als Stromquelle für die Ausgangslastimpedanz. Wenn der FET-Schalter eingeschaltet ist, erhöht sich der Induktorstrom, was zu einem positiven Spannungsabfall über die Induktivität und einer niedrigeren Ausgangsversorgungsspannung in Bezug auf die Eingangsquellenspannung führt. Wenn der FET-Schalter ausgeschaltet ist, entlädt sich der Induktorstrom und induziert einen negativen Spannungsabfall über die Induktivität. Da ein Port der Induktivität an Masse gebunden ist, hat der andere Port einen höheren Spannungspegel, nämlich die Zielausgangsversorgungsspannung. Die Ausgangskapazität fungiert als Tiefpassfilter und reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung aufgrund des schwankenden Stroms durch die Induktivität. Die Diode stellt einen Strompfad für die Induktivität bereit, wenn der FET-Schalter ausgeschaltet ist.

Synchroner Abwärtswandler

Der synchrone Abwärtswandler ist im Wesentlichen derselbe wie der Abwärtsabwärtswandler mit dem Ersatz der Diode durch einen anderen FET-Schalter. Der obere FET-Schalter verhält sich beim Laden des Induktorstroms genauso wie der Abwärtswandler. Wenn die Schaltersteuerung ausgeschaltet ist, schaltet sich der untere FET-Schalter ein, um beim Entladen einen Strompfad für die Induktivität bereitzustellen. Obwohl diese Topologie mehr Komponenten und zusätzliche Schaltlogiksequenzierung erfordert, verbessert sie die Effizienz mit einer schnelleren Einschaltzeit des Schalters und einem geringeren FET-Serienwiderstand (Rdson) im Vergleich zur Diode.

Boost-Wandler

Boost- oder Step-up-Wandler erzeugen eine durchschnittliche Ausgangsspannung, die höher ist als die Eingangsquellenspannung. Abbildung 3 zeigt eine Variation der Abwärtstopologie, wobei Diode, FET-Schalter und Induktivität vertauscht sind. Wenn der FET-Schalter eingeschaltet ist, ist die Diode umgekehrt vorgespannt, wodurch die Last von der Eingangsquellenspannung isoliert und der Induktivitätsstrom aufgeladen wird. Wenn der FET-Schalter ausgeschaltet ist, erhält die Ausgangslast Energie von der Induktivität und der Eingangsversorgungsspannung. Der Induktorstrom beginnt sich zu entladen und induziert einen negativen Spannungsabfall über die Induktivität. Da ein Port der Induktivität von der Eingangsversorgungsspannung angetrieben wird, hat der andere Port einen höheren Spannungspegel, daher die Boost- oder Step-up-Funktion. Wie beim Abwärtswandler fungiert der Kondensator als Tiefpassfilter und reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung aufgrund des schwankenden Stroms durch die Induktivität.

Buck-Boost-Wandler

Buck-Boost-Wandler können eine negative Ausgangsversorgungsspannung aus einer positiven Eingangsquellenspannung erzeugen (d. h. negativ in Bezug auf den gemeinsamen /Masseanschluss der Eingangsquellenspannung). Ähnlich wie bei einem Abwärtswandler hat die obige Topologie Diode und Induktivität ausgetauscht. Wenn der FET-Schalter eingeschaltet ist, ist die Diode umgekehrt vorgespannt und lädt den Induktorstrom aufgrund des positiven Spannungsabfalls über die Induktivität. Wenn der FET-Schalter ausgeschaltet ist, liefert die Induktivität Energie für die Ausgangslast über den gemeinsamen / Masseknoten und entlädt den Strom, was einen negativen Spannungsabfall über die Induktivität induziert. Da ein Induktivitätsport an Common/Ground gebunden ist, befindet sich der andere Port im Vergleich zu Common/Ground auf einem niedrigeren Spannungsniveau, daher die negativen Ausgangsspannungspegel über die Ausgangslast.