Bei elektronischen Geräten ist eine stabile Stromversorgung entscheidend für den zuverlässigen Systembetrieb. Schaltnetzteile (DC-DC) sind aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Effizienz, kompakter Größe und großem Eingangsspannungsbereich zur gängigen Stromversorgungslösung in der Unterhaltungselektronik, Industriesteuerung, Kommunikationsausrüstung und anderen Bereichen geworden. Unter anderem bestimmen die Auswahl der Peripheriekomponenten und das PCB-Layout direkt die Ausgangsgenauigkeit, die Welligkeitskontrolle, die thermische Leistung und die Langzeitstabilität von DC-DC-Netzteilen.
Grundkonzepte von DC-DC-Schaltnetzteilen
1.Was ist ein DC-DC-Schaltnetzteil?
Ein DC-DC-Schaltnetzteil ist ein leistungselektronisches Gerät, das eine Eingangsgleichspannung durch „Schalten von Transistoren“ umwandelt. Seine Hauptfunktion besteht darin, eine instabile Eingangsspannung (z. B. 12 V) in eine stabile Ausgangsspannung umzuwandeln, die von der Last benötigt wird (z. B. 5 V), und gleichzeitig Funktionen wie Spannungserhöhung/-senkung, Stromregelung und Rauschunterdrückung bereitzustellen. Im Vergleich zu Linearreglern (LDOs) bieten DC-DC-Schaltnetzteile einen höheren Wirkungsgrad (typischerweise 80 %-95 %) und eignen sich für Szenarien mit hohem Strom (z. B. 6 A) und großer Eingangsspannung.
2.Funktionsprinzip von DC-DC
Am Beispiel eines klassischen DC-DC-Wandlers enthält die linke Seite Eingangspins wie „Enable“ (EN), „Soft Start/Tracking“ (SS/TR), „Default Settings“ (DEF) und „Switching Frequency“ (FSW). Diese Signale durchlaufen das Steuerlogikmodul, das Schutz- und Steuereinheiten wie Sanftanlauf, thermische Abschaltung, Unterspannungssperre (UVLO) und Power Good (PG)-Steuerung integriert, um das Leistungssteuermodul anzutreiben. Das Leistungssteuermodul verwendet einen Gate-Treiber und High-{3}}Side/Low---Strombegrenzungskomparatoren (HS lim, LS lim), um die oberen und unteren Leistungstransistoren zu steuern und so die Energieumwandlung zu ermöglichen. Der DCS-Control™-Abschnitt unten führt eine Rückkopplungsregelung über einen Fehlerverstärker, eine Steilheitskompensation, einen Komparator und einen Timer durch. Die rechte Seite umfasst Schnittstellen wie Stromeingang (PVIN, AVIN), Masse (AGND, PGND) und Schaltausgang (SW), wodurch gemeinsam eine effiziente DC-DC-Umwandlung und eine präzise Steuerung erreicht werden.
3.Der Kern von DC-DC liegt im Zyklus „Schalten - Energiespeicherung - Filterung“:
Schaltstufe:
Die internen MOSFET-Schalter (hoch{0}}seitiger HS-FET und niedrig-seitiger LS-FET) schalten sich abwechselnd ein und aus und „zerhacken“ die Eingangsgleichspannung in eine hochfrequente Impulsspannung.
Energiespeicherstufe:
Der Induktor speichert Energie, wenn der Schalter eingeschaltet ist, und der Kondensator glättet die Impulsspannung.
Ausgangsstufe:
Die Rückkopplungsschaltung überwacht die Ausgangsspannung in Echtzeit und passt die Ein-/Ausschaltzeit (Arbeitszyklus) an, um eine stabile Ausgangsspannung zu liefern.
4.Wichtige Leistungsindikatoren
Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich:Die Eingangsspannung muss mit dem Toleranzbereich des Chips übereinstimmen, während die Ausgangsspannung den Lastanforderungen entsprechen muss (z. B. unterstützt ein bestimmter DC-DC 5,5 V–18 V Eingang und 0,611 V–15 V Ausgang).
Ausgangsstrom:Der maximale Ausgangsstrom muss den Spitzenstrom der Last abdecken (z. B. erfordert eine 6-A-Last einen Chip mit einer Ausgangsleistung von mindestens 6 A).
Schaltfrequenz:Höhere Frequenzen ermöglichen kleinere Induktor- und Kondensatorgrößen, erhöhen jedoch die Schaltverluste (übliche Frequenzen liegen zwischen 200 kHz und 1 MHz und erfordern ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Komponentengröße).
Spannungswelligkeit:Der Schwankungswert der Ausgangsspannung (industrielle Anwendungen erfordern typischerweise weniger als oder gleich 20 mV; übermäßige Welligkeit kann empfindliche Schaltkreise stören).
Effizienz:Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. Höhere Effizienz reduziert thermische Belastung.
