Bild 1: Kaskadierung eines Boostschaltreglers mit einem kapazitiven Spannungsdoppler

Maximal mögliche Spannungserhöhung mit Boost-Schaltreglern

Wie kann man höhere Boost-Faktoren effizient realisieren? Zum einen kann man eine transformatorbasierte Topologie einsetzen. Ohne einen Transformator eignet sich die Kombination einer Boost-Topologie mit einem kapazitiven Spannungsdoppler.

Wenn eine Spannung benötigt wird, welche höher ist als die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung, wird häufig eine Stromversorgung nach dem Aufwärtswandler-Prinzip verwendet. Diese wird auch Boost-Topologie genannt und ist eine der drei primären Schaltreglertopologien.

Wie auch bei einem Abwärtswandler (Buck-Schaltregler) sowie bei einer invertiernden Topologie werden im einfachsten Fall neben einem Eingangs- und Ausgangskondensator nur ein aktiver Schalter, eine Freilaufdiode sowie eine Induktivität benötigt. Dadurch ist die Boost-Topologie relativ effizient im Vergleich zu anderen Schaltreglertopologien, die ebenfalls eine niedrige Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung wandeln können wie beispielsweise Sperrwandler oder SEPIC-Wandler (single ended primary inductance converter).

Durch ein Pulsbreitenverhältnis wird im üblichen nicht lückenden Betrieb während der Einschaltzeit Energie in der Induktivität gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Last am Ausgang durch Energie aus dem Ausgangskondensator versorgt. Erst während der Abschaltzeit wird die zuvor in der Induktivität gespeicherte Energie über die Freilaufdiode an die Last sowie den Ausgangskondensator abgegeben. Das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird mit dem Taktbreitenverhältnis (D) bestimmt. D = 1 – (Uin / Uout).

Diese Formel könnte vermuten lassen, dass der Spannungsunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung beliebig groß sein darf. In der Realität ist dem aber nicht so. Es gibt eine natürliche Begrenzung des Boost-Faktors. Üblicherweise wird eine Limitierung bei Faktor fünf berücksichtigt. In Einzelfällen aber auch leicht darüber.

Diese Limitierung ergibt sich aus dem Konzept der Zwischenspeicherung aller Energie in der Induktivität. Es findet also kein kontinuierlicher, sondern ein pulsierender Energiefluss statt. Je größer der Boost-Faktor, desto längere Einschaltzeiten stehen zur Verfügung, um Energie in der Induktiviät zu speichern. Die Ausschaltzeiten hingegen werden immer kürzer.

Die Induktivität muss in einer sehr kurzen Zeit Energie an den Ausgang abgeben. Bis zu einem Taktbreitenverhältnis von ca. 80% funktioniert das Boost-Konzept recht gut. Bei kleineren Taktbreitenverhältnissen tritt durch die hohen Spitzenströme ein Effizienzabfall des DC/DC-Wandlers ein. Bei größeren Boost-Faktoren, also höheren Taktbreitenverhältnissen, muss das Schaltelement sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme aushalten. Die Schaltverluste werden sehr groß, da die geschalteten Spannungsunterschiede hoch sind.

Wie kann man höhere Boost-Faktoren effizient realisieren? Zum einen kann man eine transformatorbasierte Topologie einsetzen. Durch das Windungsverhätnis von Primär- zu Sekundärseite kann der Bereich des Taktbreitenverhältnisses in einen einfacher zu handhabenden Bereich verschoben werden.

 Bild 1: Kaskadierung eines Boostschaltreglers mit einem kapazitiven Spannungsdoppler
Bild 1: Kaskadierung eines Boostschaltreglers mit einem kapazitiven Spannungsdoppler

Ohne einen Transformator eignet sich die Kombination einer Boost-Topologie mit einem kapazitiven Spannungsdoppler. Bild 1 zeigt die Kombination (Kaskadierung) eines Boost-Schaltreglers mit einem kapazitiven Spannungsdoppler, angesteuert von dem Boost-Schaltregler ADP1614. Hierbei wird mithilfe zweier zusätzlicher Dioden und Kondensatoren die eigentliche Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers verdoppelt. Die Regelschleife wird dann mit der Ausgangsspannung nach dem Spannungsdoppler verbunden. Der Schalttransistor des Aufwärtswandlers muss dann nur noch etwa die Hälfte der Ausgangsspannung verkraften.

Dieser Trick mit einem Spannungsdoppler zu arbeiten, erhöht den möglichen Boost-Faktor. Neben einem einfachen Spannungsdoppler können auch zwei Spannungsdoppler eingesetzt werden, welche dann die vom Aufwärtswandler zur Verfügung gestellte Spannung vervierfachen.

Beim Einsatz von kapazitiven Spannungsdopplern ist der maximale Ausgangsstrom durch das Ladungspumpenprinzip begrenzt. Bei höheren Strömen oberhalb von ca. 100 mA werden die notwendigen Kondensatoren sowie die Verluste sehr groß.

Eine weitere kaskadierte Aufwärtswandlertopologie ist der Boost-Konverter mit angezapfter Induktivität. Er benötigt eine Induktivität mit Mittelanzapfung. Der Vorteil besteht darin, dass diese Topologie auch für höhere Ströme eingesetzt werden kann.

Weitere Details zu den genannten Topologien sowie andere Schaltreglerkonzepte gibt es in der Applikationsschrift AN-1126 von Analog Devices.

 Der Autor: Frederik Dostal arbeitet bei Analog Devices.

 

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