Den richtigen SMD-Drossel für Ihren DC-DC-Wandler wählen

Das Verständnis der Grundlagen der Schaltnetzteil-Wandlung ist essenziell für die Auswahl der geeignetsten Drossel für jede DC-DC-Anwendung. Dieser Leitfaden, verfasst von Mitchell Rhine, Director of Engineering bei Signal Transformer, erklärt die Schlüsselkonzepte und praktischen Schritte.

Lineare Spannungsregler dissipieren Leistung als Wärme: Die Spannung, die am Pass-Transistor abfällt, multipliziert mit dem Laststrom, entspricht der verschwendeten Leistung. Im Gegensatz dazu arbeitet ein Schaltmodus DC-DC-Wandler, indem er den Leistungstransistor mit einem Tastverhältnis schnell ein- und ausschaltet, das nach Filterung die gewünschte Ausgangsspannung liefert. Wenn der Transistor ein ist, ist der Spannungsabfall vernachlässigbar; wenn er aus ist, fließt kein Strom. Dieses Schaltverhalten kann die Leistungsdissipation nahe Null reduzieren und Wirkungsgrade von bis zu 95 % ermöglichen – weit höher als die ca. 50 % typischer Linearregler. Zusätzlich erlaubt die Topologie von Schaltwandlern den Betrieb als Buck (Abwärts), Boost (Aufwärts) oder Buck-Boost (Invertierend) Schaltungen.

Zur Verdeutlichung fokussieren wir uns auf die am weitesten verbreitete Konfiguration: einen festfrequenten Buck-Wandler im Continuous-Mode-Betrieb.

Abb. 1: Ein einfacher Schalt-DC-DC-Wandler.

Ein grundlegender Buck-Wandler besteht aus einem Schalter, einer Drossel, einem Kondensator und einer Diode (siehe Abb. 1). Unter Annahme eines idealen Schalters und einer idealen Diode (V_sw = 0 und V_d = 0) vereinfacht sich die Analyse, aber reale Designs müssen nicht-null Spannungsabfälle berücksichtigen.

Während der ON-Periode ist die Diode rückwärtsgepolart und der Strom rampt linear vom Eingang zum Ausgang durch die Drossel. Wenn der Schalter AUS schaltet, zwingt die in der Drossel gespeicherte Energie den Strom weiter fließen; die Diode wird vorwärtsgepolart, sodass der Strom vor dem nächsten ON-Zyklus auf null abfällt. Diese Rampenaktion speichert Energie im Magnetkern während der ON-Phase und gibt sie während der OFF-Phase frei.

Abb. 2: Der Drosselstromverlauf in einem Buck-Wandler.

Der Stromverlauf besteht aus einer DC-Komponente gleich dem Laststrom (I_load) und einer AC-Komponente, die periodisch auf- und abrampet. Im stationären Zustand entspricht der Strom am Ende eines Schaltzyklus dem Strom am Anfang.

Aus der Tastverhältnissteuerung ergibt sich die Ausgangsspannung zu

V_out = D · V_in (Gleichung 1)

wobei D = t_on / (t_on + t_off) und die Schaltfrequenz f_sw = 1 / (t_on + t_off), mit t_on = D / f_sw.

Addiert man die Spannungsabfälle über den Komponenten während der ON-Periode (und annimmt V_sw = 0), ergibt sich

V_in – V_ind – V_out = 0 (Gleichung 2)

Einsetzen von V_ind = L · di/dt, wobei di ≈ I_ramp und dt = t_on, liefert

L · I_ramp = (V_in – V_out) · t_on (Gleichung 3)

Gleichung 3 zeigt, dass für einen festen Eingangs-Ausgangs-Spannungsunterschied das Produkt aus Induktivität und Stromrampe konstant ist. Erhöht man L, verringert sich I_ramp, während ein kleineres L den Stromripple vergrößert. Wird L zu klein gewählt, kann I_ramp groß genug werden, dass der Drosselstrom für einen Teil des Zyklus auf null fällt – Discontinuous-Mode-Betrieb.

Großer I_ramp erhöht nicht nur den Ausgangsspannungsripple, sondern auch AC-Kernverluste. Als Faustregel sollte I_ramp ein kleiner Bruchteil des maximalen Laststroms bleiben, um Ripple und Verluste akzeptabel zu halten.

Der maximale Spitzenstrom, den die Drossel im stationären Betrieb aushalten muss, ist

I_max = I_{load, max} + I_ramp/2 (Gleichung 4)

Während I_ramp unabhängig von I_load ist, hängt es von der Eingangsspannung ab. Betrachtet man die OFF-Periode mit V_d = 0, gilt

V_ind – V_out = 0 (Gleichung 5)

Mit V_ind = L · di/dt und dt = t_off folgt

I_ramp = V_out · t_off / L (Gleichung 6)

Da V_out konstant ist, erreicht I_ramp sein Maximum, wenn t_off (und damit V_in) am höchsten ist. Dies bestimmt den Worst-Case I_max über Gleichung 4.

Mit den festgelegten Induktivitäts- und Spitzenstromanforderungen ist der nächste Schritt die Auswahl einer Drossel, die die elektrischen und mechanischen Board-Constraints erfüllt. Geschirmte oder Low-EMI-Drosseln sind ideal für dichte, hochleistungsfähige Designs – wie in IoT-Geräten – da ihr magnetischer Fluss begrenzt ist und abgestrahlte Störungen reduziert.

Beispielsweise bietet Signal Transformers SCRH-Serie magnetisch abgeschirmte Teile mit Induktivitäten von 1,0 µH bis 180 µH, Sättigungsströmen von 0,15 A bis 5,0 A und Bauhöhen zwischen 1,9 mm und 4 mm. Wenn größere Induktivität benötigt wird, liefert die SCxxxxC-Serie Werte von 10 µH bis 1 mH, Sättigungsströme von 0,045 A bis 8 A und Höhen von 2,92 mm bis 7,62 mm. Weitere Serien stehen für Hochstromanwendungen oder für ungeschirmte Drosseln zur Verfügung, die Effizienz und Leistungsfähigkeit in flachen Paketen maximieren.

Titelbildquelle: Signal Transformer