Automatische Effizienzsteigerung sorgt für hohe Effizienz von Abwärtswandlern bei niedrigeren Ausgangsspannungen

Traditionell verringert sich der Leistungswandlungswirkungsgrad eines DC/DC-Abwärtswandlers, wenn seine Ausgangsspannung für geringere Werte konfiguriert wird. Nehmen wir als Beispiel einen DC/DC-Abwärtswandler, der eine 12 V Eingangs- in eine 3,3 V Ausgangsspannung wandelt und bei voller Last bis zu 90 Prozent Effizienz bietet. Für eine 1,8 V Ausgangsspannung konfiguriert, liefert der gleiche Wandler mit ähnlichen Eingabeeigenschaften dann möglicherweise weniger als 84 Prozent Wirkungsgrad bei Volllast. Seine Leistung verschlechtert sich noch weiter, wenn die Ausgangsspannung für noch niedrigere Werte bei gleichen Eingangsparametern konfiguriert wird. Das führt aufgrund höherer Verluste zu einer höheren Verlustleistung im Gehäuseinneren und zu höheren Temperaturen aufgrund der Wärme, in die die Verlustleistung umgewandelt wird. Das ist nicht erwünscht, insbesondere nicht bei batteriebetriebenen Produkten wie Notebooks, Tablets und Halbleiterlaufwerken (SSDs), bei denen höhere Betriebstemperaturen die Leistung des Produkts beeinträchtigen können.

Zur Lösung dieses Problems haben die Ingenieure von Texas Instruments ein neues Verfahren zur Leistungswandlung entwickelt, das als Automatische Effizienzsteigerung (Automatic Efficiency Enhancement) oder AEE bezeichnet wird. Diese proprietäre Technologie ermöglicht es DC/DC-Abwärtswandlern selbst bei niedriger Ausgangsspannung einen hohen Wirkungsgrad beizubehalten. Anders ausgedrückt: Die Leistungswandlungseffizienz bleibt hoch, und zwar unabhängig von der konfigurierten Ausgangsspannung.

Sinkende Effizienz

Bevor wir uns AEE zuwenden, wollen wir uns ansehen, was diesen Effizienzabfall bewirkt. In seinem Artikel „AEE Boosts Efficiency for Lower-Output-Voltage Step-Down Converters“¹ (AEE steigert die Effizienz von Abwärtswandlern mit niedriger Ausgangsspannung) erklärt der TI-Anwendungsingenieur Chris Glaser den Effizienzabfall. Laut Glaser steht der Effizienzabfall in Abwärtswandlern bei niedrigen Ausgangsspannungen in direktem Zusammenhang mit der verringerten Ausgangsleistung ohne eine entsprechende Reduzierung beim Leistungsverlust.

Typischerweise bestehen die Verluste bei Schaltnetzteilen aus Schalt- und Leitungsverlusten. Es ist bereits bekannt, dass die Schaltverluste von der Eingangsspannung, vom Ausgangsstrom und der Schaltfrequenz abhängig sind, während sich die Leitungsverluste nach dem Ausgangsstrom und den MOSFET-Betriebswiderständen richten. Daher trägt die Ausgangsspannung überhaupt nicht zum Gesamtverlust des Wandlers bei, sondern die Ausgangsleistung – also das Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom – fällt einfach, wenn die Ausgangsspannung bei unveränderter Eingangsspannung sinkt. Bei gleich bleibendem Leistungsverlust fällt der Wirkungsgrad offensichtlich bei niedrigeren Ausgangsspannungen ab, weil gilt: Wirkungsgrad = (Ausgangsleistung)/(Ausgangsleistung + Verluste).

Nun könnten laut dem TI-Artikel die Schaltverluste verringert werden, indem die Schaltfrequenz bei niedrigeren Spannungen abgesenkt wird, um so den Wirkungsgrad zu verbessern. Dafür ist jedoch eine Umgestaltung der Schaltkreise zur Ausgangsfilterung und Schleifenkompensation erforderlich. „Es erfordert mehr Designaufwand und -zeit, und wahrscheinlich unterschiedliche Komponenten für Schaltungen mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, was womöglich zu einem Anwachsen der Stückliste (BOM) führt“, erklärt Glaser.

Dynamische Anpassung der Schaltfrequenz

Das Problem mit der Schaltfrequenz soll durch die Automatische Effizienzsteigerung (AEE) gelöst werden. Laut TI passt AEE die Schaltfrequenz automatisch an, um die Wandlungseffizienz zu verbessern, ohne sich störend auf die Schaltkreise zur Ausgangsfilterung und Schleifenkompensation auszuwirken. Ausgehend von der Eingangs- und Ausgangsspannung wird die Schaltfrequenz automatisch angepasst, um den Wirkungsgrad zu steigern, während die Steuerschleifenstabilität und der Ausgangsfilter beibehalten werden, erläutert Glaser.

Oder kurz gesagt: Um die Effizienz über den gesamten Lastzyklusbereich (V_OUT/V_IN) hinweg hoch zu halten, gewährleistet AEE, dass die Schaltfrequenz angepasst wird, während der Brummstrom der Induktivität auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Referenz 1 zeigt folgende Beziehung zwischen dem Rippelstrom der Induktivität (ΔI_L), der Schaltfrequenz (F_SW) und dem Lastzyklus (D = V_OUT/V_IN)):

Demzufolge kann Gleichung 1 entnommen werden, dass AEE eine lediglich minimale Schwankung des Brummstroms bei schwankender Ausgangsspannung und einer gegebenen Eingangsspannung sicherstellt. Das wird möglich, indem die Schaltfrequenz abgesenkt wird, sobald die Ausgangsspannung auf niedrigere Werte konfiguriert wird.

Die AEE-Technologie ist im Zweiphasen-Abwärtswandler TPS62180/TPS62182 von TI integriert, um einen hohen Wirkungsgrad über einen anpassbaren Ausgangsbereich von 0,9 V bis 6 V bei bis zu 6 A Ausgangsstrom und einem Eingangsspannungsbereich von 4 V bis 15 V zu liefern. Abbildung 1 zeigt das Funktionsschaltbild des TPS62180 mit AEE und anpassbarer Ausgangsspannung. Im Gegensatz zum TPS62180 handelt es sich beim TPS62182 um einen Abwärtswandler mit unveränderlichem Ausgang, also mit AEE und fester Ausgangsspannung von 3,3 V.

Abbildung 1: Der TPS62180 verfügt über Automatische Effizienzsteigerung (AEE), um einen hohen Wirkungsgrad von DC/DC-Abwärtswandlern bei niedrig konfigurierten Ausgangsspannungen beizubehalten. (Mit Genehmigung von Texas Instruments)

Zur Erläuterung der AEE-Funktionsweise hat TI eine Reihe von Messergebnissen bereitgestellt, die mit dem TPS62180 erzielt wurden. Abbildung 2 zeigt zum Beispiel die Anpassung der Schaltfrequenz des TPS62180, wenn die Ausgangsspannung bei einer gegebenen Eingangsspannung von 3,3 V auf einen niedrigeren Wert von 0,9 V konfiguriert wird. In gleicher Weise wird auch die Schaltfrequenz verändert, wenn sich die Eingangsspannung ändert.

Abbildung 2: Um einen hohen Wirkungsgrad beizubehalten, wird beim Zweiphasen-DC/DC-Abwärtswandler TPS62180 die Automatische Effizienzsteigerung (AEE) eingesetzt, um die Schaltfrequenz je nach Ausgangs- und Eingangsspannung anzupassen. (Mit Genehmigung von Texas Instruments)

Zur Veranschaulichung der Wirkung von AEE auf das Effizienzverhalten des TPS62180 hat der Hersteller außerdem den Wirkungsgrad für unterschiedliche Ausgangsspannungen bei wechselnder Eingangsspannung gemessen. Das gemessene Effizienzverhalten in Abhängigkeit von der Eingangsspannung für zwei verschiedene Ausgangsspannungen (3,3 V und 1,8 V) ist in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Bei näherer Betrachtung dieser Abbildungen lässt sich feststellen, dass der Wirkungsgrad beim niedrigeren Ausgang von 1,8 V unter Volllast und bei 12-V-Eingang bei etwa 88 Prozent liegt. Beim selben Eingang und einem Ausgang von 3,3 V liegt der Wirkungsgrad bei etwa 92 Prozent, was bedeutet, dass der Effizienzunterschied zwischen beiden Ausgängen mit AEE viel geringer ist. Ohne AEE würde dieser Unterschied viel größer sein, gibt TI an.

Abbildung 3:  Effizienz in Abhängigkeit von der Eingangsspannung für den Zweiphasen-DC/DC-Abwärtswandler TPS62180 von Texas Instruments. Die Ausgangsspannung für den Wandler beträgt 3,3 V. (Mit Genehmigung von Texas Instruments)

Abbildung 4: Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Eingangsspannung für den Zweiphasen-DC/DC-Abwärtswandler TPS62180 von Texas Instruments. Die Ausgangsspannung für den Wandler beträgt 1,8 V. 

Zusammenfassend lässt sich sagen: AEE trägt dazu bei, dass Abwärtswandler wie der TPS62180 eine höhere Leistungswandlungseffizienz bei niedriger konfigurierten Ausgangsspannungen erzielen können als vergleichbare Topologien mit Festfrequenz.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenzen

1. „AEE Boosts Efficiency for Lower-Output-Voltage Step-Down Converters“ (AEE steigert die Effizienz von Abwärtswandlern mit niedriger Ausgangsspannung) von Chris Glaser, Anwendungsingenieur, Texas Instruments Inc.