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Spannungswandlung mit hohem Wirkungsgrad Effizient nach unten

14.03.2018

Die Wandlung von hohen auf sehr niedrige Spannungen ist technisch nicht einfach umzusetzen. Sie kommt zum Beispiel bei Servern oder der Telekommunikation vor. Effizient erreichen lässt sie sich mit Hilfe einer Zwischenkreisspannung.

Soll in Anwendungen von einer hohen Versorgungsspannung auf eine sehr niedrige Spannung gewandelt werden, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Ein interessanter Anwendungsfall ist die Spannungswandlung von 48 V in 3,3 V, wie sie bei Servern für die IT-Industrie oder auch bei Telekommunikationsanwendungen häufig der Fall ist. Setzt man wie in der obigen Abbildung einen Step-Down-Schaltregler (Buck) für die Spannungskonvertierung ein, stößt man auf das Problem der kleinen Duty-Cycle. Bei einem Buck-Schaltregler verhält sich der Duty-Cycle, also das Zeitverhältnis zwischen einem eingeschalteten Schalter Q1 und dem eingeschalteten Schalter Q2 nach der folgenden Formel: Duty Cycle = Ausgangsspannung/Eingangsspannung.

Bei 48 V Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung von 3,3 V ergibt sich somit ein Duty-Cycle von rund sieben Prozent. Das bedeutet, dass bei einer Schaltfrequenz von einem MHz, also 1.000 ns pro Taktperiode, der Schalter Q1 nur für etwa 70 ns eingeschaltet ist. Für 930 ns ist der Schalter Q1 abgeschaltet und Q2 ist eingeschaltet. Hierfür muss ein Schaltregler zum Einsatz kommen, der eine minimale Einschaltzeit von Q1 mit einem Wert von weniger als 70 ns zulässt.

Problematische Abnahme der Effizienz

Ist ein solcher Schaltregler gefunden, gibt es ein weiteres Problem: Die üblicherweise sehr hohe Effizienz eines synchronen Buck-Schaltreglers nimmt mit sehr kurzen Duty-Cycle-Werten stark ab. Das ist darauf zurückzuführen, dass nur für kurze Zeit Energie in der Induktivität gespeichert werden kann und dann für lange Zeit Energie aus der Spule geholt werden muss. Das führt zu sehr hohen Spitzenströmen in der Schaltung. Ebenfalls muss der Wert der Induktivität L1 in obiger Abbildung sehr hoch sein. Schließlich liegt während der Einschaltzeit von Q1 eine sehr hohe Spannung an. Im Beispiel 44,7 V sowie an der Schaltknotenseite 48 V und an der Ausgangsspannungsseite 3,3 V. Somit steigt der Induktivitätsstrom bei einem festen Induktivitätswert mit zunehmender Spannung, welche über die Induktivität angelegt wird, stärker an als bei angelegter niedriger Spannung. Um Spitzenströme zu reduzieren, muss üblicherweise ein höherer Induktivitätswert verwendet werden. Dieser sorgt in der Schaltung ebenfalls für erhöhte Leistungsverluste.

Ein effizientes LTM8027-µModul von Analog Devices schafft unter diesen Spannungsbedingungen bei 4 A Ausgangsstrom eine Leistungseffizienz von gerade 80 Prozent. Eine effizientere und heute sehr verbreitete Lösung zur Erhöhung der Wandlungseffizienz ist das Erzeugen einer Zwischenkreisspannung. Eine kaskadierte Anordnung mit zwei hoch effizienten Step-Down-Reglern ist in der oben stehenden Abbildung zu sehen. Aus 48 V werden in einem ersten Schritt 12 V erzeugt. Diese werden dann in der zweiten Stufe in 3,3 V umgewandelt. Bei einer Wandlung von 48 V
auf 12 V hat ein LTM8027-µModul eine Effizienz von über 92 Prozent. Die anschließende Wandlung von 12 V auf 3,3 V kommt mit einem LTM4624 auf einen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Somit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad der Schaltung der obigen Abbildung von rund 83 Prozent. Er ist also drei Prozent höher als die direkte Wandlung der Schaltung auf der vorhergehenden Seite. Das ist erstaunlich, da die Energie in der kaskadierten Lösung durch zwei Schaltregler geführt wird. Die Effizienz der Schaltung auf der vorhergehenden Seite ist jedoch niedriger, da der kurze Duty-Cycle und die damit verbundenen hohen Stromspitzen in der Induktivität hohe Verluste verursachen.

Die Generierung einer Zwischenkreisspannung kann also durchaus sinnvoll sein, um die Gesamteffizienz einer Spannungsversorgung zu erhöhen. Es wird immer wieder versucht, die Schaltung auf der vorherigen Seite auch mit kurzem Duty-Cycle in der Effizienz gravierend zu verbessern. Beispielsweise kann mit sehr schnellen GaN-Schaltern gearbeitet werden, welche die Wandlungseffizienz durchaus steigern. Solche Lösungen sind jedoch momentan kostenintensiver als eine kaskadierte Lösung wie sie die obige Abbildung zeigt.

Bildergalerie

  • Wandeln einer Spannung von 48 V in 3,3 V in einer Stufe

  • Wandeln einer Spannung von 48 V in 3,3 V in zwei Stufen über eine 12-V-Zwischenkreisspannung

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