Schaltregler-Effizienz

Effizient schalten und walten

© National Semiconductor

National Semiconductor stellte erst kürzlich mit dem LM21212-1 einen synchronen 12-A-Buck-Schaltregler mit dem industrieweit höchsten Wirkungsgrad vor. Der Baustein erreicht bei einer Wandlung von 3,3 auf 2,5 V und einer Schaltfrequenz von 300 kHz ab 2 A Ausgangsstrom, je nach Güte der eingesetzten Spule, eine Wandlungseffizienz von 98 Prozent oder mehr.

Besonders Schaltreglerkonzepte bieten die Möglichkeit, elektrische Energie sehr effizient zu wandeln. Die Technik ist schon weit fortgeschritten, bietet aber auch noch weitere Sparpotenziale.

Bei der Wandlung (Umformung) von elektrischer Energie ist die Wandlungseffizienz eines der wichtigsten Merkmale. Sie soll so hoch wie möglich sein. Das gilt für Transformatoren genauso wie für Linearregler und Schaltregler.

Für diese Forderung gibt es zwei wesentliche Gründe: Zum einen möchte man nicht mehr elektrische Energie in Wärme umwandeln als unbedingt nötig. Das gilt besonders dann, wenn diese Energie zuvor teuer erzeugt wurde oder nur sehr begrenzt verfügbar ist (etwa bei Batterien und Akkus, bei denen man besonders bei mobilen Anwendungen auch um eine möglichst lange Standzeit bemüht ist). Der zweite Grund ist, dass die nutzlos produzierte Abwärme abgeführt werden muss, damit das System sich nicht zu stark erhitzt. Dieser Aspekt bekommt besonders dann große Bedeutung, wenn die Platzverhältnisse keine starke Wärmeentwicklung zulassen. Und auch das ist besonders bei mobilen Anwendungen der Fall.

© ZMDI 

Vollbild

Dr. Hendrik Ahlendorf, ZMDI: »Wenn feststeht, dass eine Verbesserung nötig ist, ist das ein schönes Arbeitsgebiet für Ingenieure!«

Schliessen

© ZMDI

Dr. Hendrik Ahlendorf, ZMDI: »Wenn feststeht, dass eine Verbesserung nötig ist, ist das ein schönes Arbeitsgebiet für Ingenieure!«

Fleißig schalten kostet Energie

Schaltregler versprechen in den meisten Fällen eine höhere Wandlungseffizienz als Netztransformatoren und Linearregler. Besonders Gleichstromwandler (DC/DC) können sehr effizient sein. Werte von mehr als 90 Prozent sind keine Seltenheit mehr, und in günstigen Fällen sind auch 95 bis hin zu 98 Prozent möglich. Wie hoch die Wandlungseffizienz tatsächlich ausfällt, ist kein Zufallsergebnis, sondern man kann sie sehr gut an bestimmten Randbedingungen festmachen.

»Die meisten Verluste entstehen, weil die reaktiven Schaltkreiselemente (die Spule und die Kondensatoren) periodisch mit Energie aufgeladen und wieder entladen werden«, sagt Dr. Hendrik Ahlendorf, Produktmanager beim deutschen Halbleiterhersteller ZMDI. Allgemein lässt sich in diesem Zusammenhang konstatieren, dass diese Verluste steigen, wenn die Schaltfrequenz steigt, weil jeder Schaltvorgang eine bestimmte Menge an Energie schluckt. Und wie viel er genau schluckt, hängt wieder vom Schaltungsentwurf und der Güte der eingesetzten Komponenten ab. »Zwar geht im Reglerbaustein selber auch etwa an Energie verloren, jedoch ist diese Menge meistens vernachlässigbar klein«, fügt Ahlendorf hinzu.

Werner Berns, Account Manager und Power-Spezialist beim Halbleiterhersteller National Semiconductor, weiß, wo welche »Energiefresser« sind: »Die kritischen Komponenten sind die Spule und die MOSFETs. Die Spulenverluste wiederum teilen sich auf in Verluste, die das periodische Umpolen des magnetischen Kerns mit sich bringt, und in Kupferverluste, also ohmsche Verluste in der Spulenwicklung. Die Kernverluste sind also dynamische Verluste, die mit der Schaltfrequenz steigen. Besonderes Augenmerk muss man darauf richten, dass der Kern nicht in Sättigung gerät. Die Kupferverluste wiederum sind weitgehend frequenzunabhängig und richten sich nach der Stärke des Stromflusses und dem Widerstand der Spule. Erst bei hohen Frequenzen wirkt sich auch der Skin-Effekt auf die Kupferverluste aus.«

Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions bei Texas Instruments, merkt zu den Verlusten an: »Bei Stromregelung ist es auch wichtig, dass der Messwiderstand klein bleibt. Dafür braucht man einen Regler, der eine möglichst kleine Referenzspannung hat.« Und Ahlendorf legt Wert auf die Feststellung, dass auch die Freilaufdiode gut ausgewählt sein muss, damit diese im Durchlassbetrieb nicht zuviel Energie verbraucht.
Adzan erklärt die MOSFET-Verluste: »Bei den MOSFETs verhält es sich ähnlich wie bei den Spulen: Die Verluste haben eine dynamische und eine ohmsche Komponente. Für die dynamischen Verluste ist die Gate-Kapazität des MOSFETS verantwortlich, weil diese dynamisch umgeladen wird. Je geringer diese Kapazität ist, umso geringer ist die Energiemenge, die bei einem Schaltvorgang verloren geht. Die ohmschen Verluste wiederum gehen auf das Konto des Kanalwiderstandes zwischen Drain und Source, der auch beim Öffnen des Stromkanals noch verbleibt. Auch dieser Wert sollte möglichst klein sein.«

Das bestätigt Berns, der allerdings zu bedenken gibt: »Um einen geringen Durchlasswiderstand zu erreichen, muss man in die Geometrie eingreifen: Je breiter der Kanal ist, umso geringer fällt dieser Widerstand aus. Das wirkt sich aber ungünstig auf die Gate-Kapazität aus, weil sie bei größerer Geometrie steigt. Wer also zu sehr auf den Durchlasswiderstand blickt, vernachlässigt die Wirkung der dynamischen Effekte, besonders wenn die Schaltfrequenz relativ hoch ist.«

1. Teil: Effizient schalten und walten
2. Teil: Die Schaltfrequenz senken?
3. Teil: Wo gibt es noch Steigerungspotenzial?
4. Teil: Faustregeln für Wandlereffizienz

Weiterführende Links:

• Nulllastverbrauch von Power-Management-ICs: Es gibt keinen »Best in Class«, sondern eine große Auswahl!
• Vor allem Batteriebetrieb stellt hohe Anforderungen an das Power Management: Schluss mit viel Strom um nichts!
• Einfacheres Design für Flächenbeleuchtungen: National: LED-Treiber mit spezieller Regelmethode
• Vor- und Nachteile verschiedener Mikro-Inverter-Topologien: Auf die Zuverlässigkeit kommt es an
• National Semiconductor mit Premiere: Vollbrücken-PWM-IC integriert MOSFET-Gatetreiber