Schaltregler wandeln die Eingangsspannung in eine höhere oder niedrigere Ausgangsspannung um, wobei eine Induktivität zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie verwendet wird. Die Größe der Induktivität hängt von der Schaltfrequenz des Schaltreglers und dem erwarteten Stromfluss durch den Stromkreis ab. Wie wähle ich also den richtigen Induktivitätswert aus? Der Induktorwert kann mithilfe einer gängigen Formel bestimmt werden, die die Welligkeit des Induktorstroms berücksichtigt.
In den meisten Datenblättern für Schaltregler sowie in den meisten Anwendungshinweisen und anderen erläuternden Texten wird empfohlen, dass die Induktorstromwelligkeit bei 30 Prozent des Nennlastbetriebs liegt. Dies bedeutet, dass die Drosselstromspitzen und die Drosselstromtäler um 15 Prozent höher bzw. 15 Prozent niedriger sind als der durchschnittliche Strom bei Nennlaststrom. Warum kann die Wahl einer Induktorstromwelligkeit oder eines Stromwelligkeitsverhältnisses (CR) von 30 Prozent als guter Kompromiss angesehen werden?
Für Abwärtswandler wie den in Abbildung 1 gezeigten gilt Gleichung 1:
Abbildung 1. Entsprechende Induktorstromwelligkeit bei Verwendung eines Abwärtswandlers.
Diese Formel berechnet die erforderliche Induktivität für einen Abwärtswandler basierend auf dem Stromwelligkeitsverhältnis CR, L. Dieses Verhältnis wird normalerweise als 0,3 oder 30 Prozent Spitze-zu-Spitze-Welligkeit angegeben. In dieser Formel stellt D das Tastverhältnis und T die Zykluszeit dar, abhängig von der jeweiligen Schaltfrequenz.
Was passiert, wenn Sie eine andere Induktorstromwelligkeit verwenden?
In Abbildung 2 stellt die rote Linie die Stromwelligkeit des Induktors der Schaltung dar (Stromwelligkeitsverhältnis (CR) von 30 Prozent bei einem Ausgangsstrom von 3 A). Dies ist eine häufige Kompromisswahl beim Design von Schaltreglerschaltungen. Die blaue Wellenform entspricht einer Induktivität Stromwelligkeit von 133 Prozent und die grüne Wellenform entspricht einer Induktorstromwelligkeit von 7 Prozent.
Abb. 2. Induktorstromwelligkeit (rot), kleine Induktorstromwelligkeit (blau) und große Induktorstromwelligkeit (grün) für ein Welligkeitsstromverhältnis von 30 Prozent bei Nennlast.
Abbildung 3 zeigt den gleichen Stromkreis, der mit einer teilweisen Nennlast des Ausgangsstroms (z. B. 1 A) läuft. Bei hoher Welligkeit des Induktorstroms, wie durch die blaue Wellenform in Abb. 3 dargestellt, entlädt sich der Induktor bei jedem Zyklus vollständig. Dieser Modus wird als diskontinuierlicher Leitungsmodus (DCM) bezeichnet. In diesem Modus ändert sich die Stabilität des Regelkreises und es kann zu einer höheren Welligkeit der Ausgangsspannung kommen.
Abb. 3. Induktorstromwelligkeit (rot), kleine Induktorstromwelligkeit (blau) und große Induktorstromwelligkeit (grün) mit einem Welligkeitsstromverhältnis von 30 Prozent bei Teillast.
Daher muss ein bestimmtes Rippelstromverhältnis verwendet werden, um DCM zu vermeiden. Ein guter Kompromiss ergibt sich bei einem Rippelstromverhältnis von 30 Prozent. Wenn das Rippelstromverhältnis niedrig ist, arbeitet das System auch bei Teillast die meiste Zeit im kontinuierlichen Stromleitungsmodus. Durch Optimierung der Schaltung ist es also möglich, in diesem Modus zu arbeiten.
Was passiert, wenn ich ein zu hohes Rippelstromverhältnis wähle?
Welligkeitsstromverhältnisse über 30 Prozent führen zu kleineren Induktorgrößen und niedrigeren Kosten. Allerdings sind die Spitzenströme deutlich höher und erzeugen eine große Menge elektromagnetischer Interferenzen (EMI), die viel höher sind, als typische Schaltkreise verkraften können. Darüber hinaus muss der Laststrom noch höher sein, um den Continuous Conduction Mode (CCM) nutzen zu können. Dies stellt noch kein Problem dar, aber die Betriebseigenschaften ändern sich in diesem Modus und dies muss beim Entwurf der Schaltung berücksichtigt werden.
Darüber hinaus ergibt sich eine höhere Ausgangsspannung aus einer geringeren Induktorstromwelligkeit im Vergleich zu einer geringeren Induktorstromwelligkeit.
Was passiert, wenn ich ein zu niedriges Rippelstromverhältnis wähle?
Welligkeitsstromverhältnisse unter 30 Prozent führen zu größeren Induktorgrößen und höheren Kosten. Aufgrund der großen Größe des Energiespeichers ist das Lastübergangsverhalten etwas geringer. Wenn beispielsweise ein hoher Laststrom schnell abgeschaltet werden soll, muss die in der Induktivität gespeicherte Energie irgendwohin übertragen werden. Dadurch steigt die Spannung am Ausgangskondensator (COUT). Je mehr elektrische Energie im Induktor vorhanden ist, desto höher ist die Ausgangsspannung. Überspannung kann die Versorgungsschaltung beschädigen.
Nachdem wir die Vor- und Nachteile verschiedener Induktorstromwelligkeitsverhältnisse abgewogen haben, haben wir herausgefunden, dass für die meisten Anwendungen ein Stromwelligkeitsverhältnis von etwa 30 Prozent besser geeignet ist. In manchen Fällen ist es jedoch möglich, davon abzuweichen, sofern die Ergebnisse akzeptabel sind.
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