Um Gleichspannungen in andere Gleichspannungen effizient umzuwandeln werden meist Schaltregler verwendet. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Ein besonderes Unterscheidungsmerkmal ist der zulässige Spannungsbereich. Wir zeigen, wie man diesen bei Abwärts- und Aufwärtswandlern erweitern kann.
Bei Abwärtswandlern (Tiefsetzstellern), auch Buck-Regler genannt, ist es schwierig den zulässigen Spannungsbereich zu erhöhen. Dies ist durch den oberen Schalttransistor bedingt. Der Treiber für diesen Schalter muss die maximal zu erwartende Eingangsspannung vertragen. Somit ist eine Erweiterung des Eingangsspannungsbereiches mit erheblichem Aufwand verbunden.
Bei Aufwärtswandlern (Hochsetzstellern), auch Boost-Regler genannt, gibt es einfache Möglichkeiten einen vorhandenen Schaltregler für höhere Spannungsbereiche am Eingang sowie am Ausgang zu erweitern. Eine solche Erweiterung kann sinnvoll sein, wenn Schaltreger für den nächsthöheren Spannungsbereich wesentlich teurer sind oder wenn ein bereits verwendeter Schaltregler in seinem Verhalten bereits gut verstanden ist und für ein kleineres Entwicklungsprojekt ein erhöhter Eingangsspannungsbereich oder Ausgangsspannungsbereich benötigt wird.
Bild 1: Ein Hochsetzsteller mit erweitertem Eingangsspannungs- sowie Ausgangsspannungsbereich
Bild 1 zeigt den Schaltregler ADP1612 von Analog Devices. Es ist ein kleiner Aufwärtswandler, der bei einer Schaltfrequenz von bis zu 1,3 MHz arbeitet und für einen maximalen Schaltstrom von 1,4 A ausgelegt ist. Der Eingangsspannungsbereich des Reglers liegt zwischen 1,8 und 5,5 V. Die Ausgangsspannung kann bis höchstens 20 V eingestellt werden.
Soll nun die Eingangsspannung 9 V betragen und die Ausgangsspannung 30 V, kann ein solcher Schaltregler mit der passenden externen Beschaltung dennoch eingesetzt werden. Im ersten Schritt muss die Versorgungsspannung für den IC angepasst werden. Nachdem der Pin Vin nur maximal 5,5 V verträgt, muss man die 9-V-Versorgungsspannung herabsetzen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Pins Vin eines Schaltreglers zu erzeugen
Es kann ein einfacher Widerstandsteiler von den 9 V nach Masse verwendet werden. Bild 2 zeigt diese Schaltung ganz links. Zwischen den beiden Widerständen wird die Versorgung für den Pin Vin abgegriffen. Hierbei verändert sich jedoch die Spannung an Vin je nach Versorgungsspannung, in unserem Beispiel 9 V. Ebenfalls verändert sich die Spannung an Vin je nach Höhe des Versorgungsstroms welcher in den Pin Vin fließt.
Um diese Einflüsse zu reduzieren kann man einen Stromeinstellwiderstand und eine Zener-Diode wie in Bild 2 in der Mitte gezeigt, verwenden. Hier ist die Spannung an Vin weitgehend konstant. Die Zener-Diode ist für 5,1 V ausgelegt.
Wenn besonders bei sehr hohen Versorgungsspannungen eine höhere Effizienz gewünscht wird, kann man den Stromfluss durch die Zener-Diode stark reduzieren indem man zusätzlich einen Transistor spendiert. Bild 2 zeigt rechts auch diese Möglichkeit zur Versorgung des Vin-Pins eines Aufwärtswandlers. Durch diese Hilfsschaltungen kann der ADP1612 also bei einer Versorgungsspannung von 9 V betrieben werden.
Wenn die zu erzeugende Spannung 30 V betragen soll, was oberhalb der maximal möglichen Ausgangsspannung von 20 V des ADP1613 liegt, gibt es auch eine Möglichkeit der Ausgangsspannungserweiterung. Es kann ein externer Schalter zusätzlich zum bereits vorhandenen Schalter im ADP1613 eingesetzt werden. Dieser ist in Bild 1 gezeigt.
Er schützt gewissermaßen den SW-Pin vor Spannungen oberhalb seiner maximal erlaubten Spannung. Der Transistor Q1 muss für die Höhe der gewünschten Ausgangsspannung ausgelegt sein. In unserem Fall wählen wir T1 als 40-V-Transistor bei einer Ausgangsspannung von 30 V. Der Transistorstrom fließt in dieser Schaltung ebenfalls durch den internen Schalter des ADP1612. Somit muss der externe Transistor T1 mindestens für den gleichen Strom wie der interne Schalter ausgelegt sein, damit die Strombegrenzung des Schaltreglers die ganze Schaltung schützen kann.
Ob eine Erhöhung der Spannungen bei einem Schaltregler in Anwendungen sinnvoll ist, hängt von vielen Parametern ab. Es ist aber immer wichtig, sich dieser Möglichkeit bewusst zu sein.