Der Vorteil einer sehr genauen Strombegrenzung

Bei der Auswahl des Schaltreglers für eine Stromversorgung ist neben der Topologie und dem Ein- bzw. Ausgangsspannungsbereich auch eine Optimierung der Kosten wichtig. Wir zeigen, wie die Genauigkeit der Strombegrenzung sowohl den Preis als auch die Größe der Stromversorgung beeinflusst.

Einer der wichtigsten Schritte beim Entwurf einer Stromversorgung ist die Auswahl eines passenden Schaltregler IC. Er wird nach der Schaltregler-Topologie (zum Beispiel Aufwärtswandler, Abwärtswandler, Isolierte Topologie usw.) sowie nach wichtigen Parametern wie Eingangs- sowie Ausgangsspannungsbereich und Stromtragfähigkeit ausgewählt. Nachdem eine technisch mögliche Lösung gefunden wurde, müssen die Kosten optimiert werden. Hierfür werden in der Regel Angebote eingeholt und es wird der Baustein mit dem günstigsten Preis bei akzeptablen Eigenschaften selektiert.

Bereits bei diesem Schritt sollte aber ein weiterer wichtiger Parameter bei der Auswahl beachtet werden: Die Genauigkeit der Strombegrenzung. Obwohl es sich hierbei um Schaltregler-IC-Spezifikation handelt, die üblicherweise nicht auf der ersten Seite des Datenblattes zu finden ist, trägt sie in hohem Maße zu den Systemkosten bei.

Die Strombegrenzung ist eine wichtige Funktion einer Stromversorgung. Sie stellt sicher, dass bei einer Überlast am Ausgang wie beispielsweise bei einem Kurzschluss der Strom begrenzt wird. Dies schützt nicht nur die Leistungsstufe, also Schaltelemente wie MOSFETs und Speicherdrossel, vor Beschädigung, sondern verhütet auch daraus entstehenden Gefahren wie Funkenüberschlag, Flammenbildung und Entstehen giftiger Gase. Somit ist unbedingt auf eine zuverlässige Strombegrenzung zu achten, um Haftungsrisikos zu minimieren und besonders das Markenvertrauen zu erhalten.

Die Strombegrenzung in einem Schaltregler IC hat eine gewisse Laufzeit. Während dieser Laufzeit darf der Strom im Kurzschlussfall nicht so hoch werden, dass es zur Zerstörung von Bauteilen kommen kann. Somit ist sicherzustellen, dass die Speicherdrossel bei der höchsten zu erwartenden Überstrombegrenzungsschwelle noch genügend Induktivität bietet um den Stromanstieg zu begrenzen.

Folgendes Beispiel eines 6-A-Abwärtswandlers mit dem ADP2386 soll den Einfluss der Strombegrenzung auf die Kosten und die Baugröße einer Schaltung verdeutlichen. Um einen Ausgangsstrom von 6 A zu ermöglichen, muss die untere Schwelle der Strombegrenzung so liegen, dass mindestens 30% Spitze-Spitze Stromwelligkeit in der Induktivität erlaubt ist.

Beim ADP2386 sind 7,2 A der untere Wert der Strombegrenzung, gültig über den gesamten zulässigen Temperaturbereich. Die höchste Schwelle ist mit 11,5 A spezifiziert. Um eine Beschädigung der Stromversorgung bis hin zu Funken und Flammen bei einem Kurzschluss zu verhindern, muss also eine Speicherdrossel ausgewählt werden, die bei 11,5 A noch nicht sättigt.

Ein Schaltregler für einen Ausgangsstrom von 6 A, der dem ADP2386 sehr ähnlich ist, hat eine minimale Strombegrenzungsschwelle von 8 A und einen spezifizierten Maximalwert von 14 A. Somit muss in diesem Fall eine Speicherdrossel gewählt werden, die bei 14 A noch nicht sättigt, um eine sichere Schaltung zu betreiben.

 Bild 1: Größenvergleich einer sicheren 6-A-Stromversorgung mit und ohne genaue Strombegrenzung
Bild 1: Größenvergleich einer sicheren 6-A-Stromversorgung mit und ohne genaue Strombegrenzung

Bild 1 zeigt Schaltungen mit den beiden Beispielen im Größenvergleich. Links ist eine kurzschlusssichere 6-A-Stromversorgung mit dem ADP2386 gezeigt. Rechts ebenfalls eine 6-A-Stromversorgung mit einem ähnlichen Schaltregler IC, aber mit ungenauerer Strombegrenzung. Es ist zu erkennen, dass die Induktivität einen großen Anteil des Platzbedarfs in dieser Stromversorgung einnimmt.

Bezüglich der Kosten ist der Unterschied beider Schaltungen ebenfalls gravierend. Eine passende Speicherdrossel mit 2,2 µH und 13 A schlägt mit einem tausender Stückpreis von 1,17 US-Dollar zu Buche. Eine vergleichbare Speicherdrossel aus der gleichen Produktfamilie des Drosselanbieters, welche einen höheren Sättigungsstrom als 14 A aufweist, ist eine 2,4-µH-Version mit einer Stromfestigkeit von 17 A, die 2,03 US-Dollar bei tausend Stück kostet. Besonders bei höheren Strömen steigen die Baugrößen und Preise bei Speicherdrosseln stark an.

Gerade unerfahrene Entwickler von Schaltreglern bemerken erst zu einem späten Zeitpunkt, dass die erforderliche Induktivität sehr groß wird, um auch im Fehlerfall Sicherheit zu bieten. Häufig wird diese Eigenschaft dann akzeptiert und es wird die Auswahl des Schaltregler ICs nicht unter Berücksichtigung der Genauigkeit der Strombegrenzung wiederholt.

Wenn man bereits bei der groben Auswahl eines passenden Schaltregler IC auch die notwendige Strombegrenzung berücksichtigt, kann man kleinere und günstigere Stromversorgungen bauen.

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