Power-Tipp

Die richtige Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung wählen

Die Auswahl der richtigen Schaltfrequenz für eine Stromversorgung ist eine komplexe Abwägung zwischen den drei Faktoren Größe, Wirkungsgrad und Kosten. Ein erheblicher Anteil an der Größe einer Stromversorgung entfällt auf das Filter, das umso kleiner wird, je höher die gewählte Schaltfrequenz ist.

Jeder Schaltvorgang findet innerhalb einer endlichen Zeitspanne statt und ist mit Energieverlusten behaftet: Je höher die Schaltfrequenz, desto größer sind die einhergehenden Schaltverluste und desto niedriger fällt der Wirkungsgrad aus. Bei einem Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen verringern sich die Werte der Filterbauelemente.

Dies kann also bei einer Stromversorgung zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen. In den folgenden Abschnitten wollen wir anhand eines simplen Abwärtsschaltreglers veranschaulichen, welche Folgen Änderungen an einem der drei Parameter jeweils haben.

 Bild 1: Beim Platzbedarf der Stromversorgungsbauelemente dominieren die Halbleiter.
Bild 1: Beim Platzbedarf der Stromversorgungsbauelemente dominieren die Halbleiter.

Bild 1 zeigt das Schaltbild eines Abwärtsschaltreglers und ein Diagramm mit dem Platzbedarf in Abhängigkeit von der Frequenz. Am unteren Ende der Frequenzskala (100 kHz) haben die Induktivitäten den größten Anteil am Gesamt-Platz. Unter der Voraussetzung, dass der Platzbedarf der Induktivitäten ihrer Energie entspricht, sinkt das Platz direkt proportional zur Frequenz.

Dies ist allerdings eine eher optimistische Annahme, denn bei einer bestimmten Frequenz steigen die Ummagnetisierungsverluste in der Induktivität, so dass einer weiteren Verkleinerung Grenzen gesetzt sind. Verwendet man Keramikkondensatoren, verringert sich die Größe des ausgangsseitigen Kondensators mit der Frequenz, da bei höheren Frequenzen auch niedrigere Kapazitätswerte genügen.

Bei niedrigen Frequenzen dominieren Passive den Schaltregler

Andererseits dimensioniert man die eingangsseitigen Kondensatoren anhand der vorgegebenen maximalen Welligkeit. Diese ändert sich mit der Frequenz nur unwesentlich, so dass deren Platzanteil tendenziell konstant bleibt. Schließlich ist im Diagramm in Bild 1 dargestellt, welcher Anteil in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz auf die im Schaltregler enthaltenen Halbleiter entfällt.

Wie man sieht, wird die Größe des Schaltreglers bei niedrigen Schaltfrequenzen klar von den passiven Bauelementen bestimmt. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto mehr fällt der Halbleiteranteil ins Gewicht.

Von einem konstanten Platzbedarf für die Halbleiter auszugehen, ist allerdings eine zu starke Vereinfachung. In Halbleitern existieren Leitungs- und Schaltverluste. Leitungsverluste in einem synchronen Abwärtsregler entstehen in den MOSFETs und sind umso größer, je kleiner die Chipfläche ist. Je größer die MOSFET-Fläche ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto niedriger sind auch die Leitungsverluste.

Was Leitungs- und Schaltverluste verursacht und wie man diese senkt

Die Schaltverluste hängen davon ab, wie schnell der MOSFET schaltet und welche Eingangs- und Ausgangskapazitäten er aufweist. Diese sind von der Größe des Bauelements abhängig. So wird ein größeres Bauelement längere Schaltzeiten und höhere Kapazitätswerte aufweisen.

 Bild 2: Eine höhere Betriebsfrequenz führt zu höheren Gesamtverlusten
Bild 2: Eine höhere Betriebsfrequenz führt zu höheren Gesamtverlusten

Bild 2 veranschaulicht diese Trends für zwei unterschiedliche Schaltfrequenzen. Die Leitungsverluste (Pcon) sind unabhängig von der Schaltfrequenz, während die Schaltverluste (Psw F1 und Psw F2) direkt damit zusammenhängen. So führt eine höhere Schaltfrequenz von Psw F2 zu höheren Schaltverlusten.

Bei jeder der beiden Schaltfrequenzen stellt sich ein minimaler Gesamtverlust ein, wenn die Schalt- und Leitungsverluste gleich groß sind. Dieser ist bei der höheren Frequenz größer.

Eine höhere Schaltfrequenz hat den Vorteil, dass die Chipfläche kleiner ist, was sich in Kosteneinsparungen bemerkbar machen kann. Bei den niedrigen Frequenzen, wie sie in der Praxis verwendet werden, führt das Auffangen von Verlusten durch Verändern der Chipfläche zu einem übermäßig teuren Design.

Bewegen wir uns dagegen in Richtung höherer Schaltfrequenzen, können wir durch Optimierung der Chipfläche die Verluste senken und somit den Platz verringern, den die Halbleiter innerhalb eines Schaltreglers beanspruchen. Die Kehrseite ist, dass die Wirkungsgrade sinken, wenn in der Halbleitertechnologie keine Verbesserungen erzielt werden.

Bei höherer Schaltfrequenz sollten die Kosten sinken

Erhöht man die Schaltfrequenz eines Schaltreglers, sollten seine Kosten sinken. Bei einer höheren Schaltfrequenz verringert sich die Größe der Induktivitäten und es werden Einsparungen beim Kernmaterial möglich. Außerdem sinken die Anforderungen an den Ausgangskondensator. Bei Keramikkondensatoren bedeutet dies, dass entweder geringere Kapazitätswerte ausreichen oder dass man mit weniger Kondensatoren auskommt. Zudem verringert sich die Halbleiter-Chipfläche, was die Kosten ebenfalls senkt.

Um die richtige Frequenz zu ermitteln, gilt es also, den besten Kompromiss aus Größe, Wirkungsgrad und Kosten zu finden. Tendenziell erzielen die Lösungen mit niedrigeren Schaltfrequenzen die besten Wirkungsgrade, aber sie sind auch die größten und teuersten Varianten. Ein Übergang hin zu höheren Schaltfrequenzen verbessert die Größen- und Kostensituation, das wird aber mit steigenden Verlusten erkauft.

Beim nächsten Mal wenden wir uns in Tipp 2 der Frage zu, wie man dem Rauschen in Schaltreglern am besten zu Leibe rückt.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

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