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Aufwärtswandler-Netzteile

Inhaltsverzeichnis

1. Theorie und Grundschaltung

Soll aus einer niedrigen Gleichspannung (z.B. 1,5V Batteriespannung) eine höhere Betriebsspannung (z.B. 3,3 oder 5V) erzeugt werden, kommen  Aufwärtswandler (auch Hochsetzsteller, Boost-Converter, Step-Up-Converter genannt) zum Einsatz. Der grundsätzliche Schaltungsaufbau ähnelt dem eines Sperrwandlers. Die Induktivität L ist einmal in Reihe mit dem (Transistor-)Schalter T und einmal in Reihe mit einer Freilaufdiode D und der Speicherkapazität C geschaltet. 

Abb. 1: Aufwärtswandler im eingeschwungenen Betrieb
Abb. 1: Aufwärtswandler im eingeschwungenen Betrieb

Anlauf (hier nicht dargestellt): Im noch nicht eingeschwungenem Zustand ist der Transistor T gesperrt. Die Speicherkapazität C wird über die Induktivität L und der dann leitenden Diode D auf die Höhe der Eingangsspannung aufgeladen. Es fließt ein Strom in C und die Last RL. 
Phase 1: Der Transistor T schaltet durch und legt die Induktivität L an die Eingangsspannung UE. Durch die Spule fließt ein linear ansteigender Strom. Im Magnetfeld der Spule wird Energie gespeichert. Die Diode D sperrt. Die Ausgangsspannung UA wird aus der Kapazität C gepuffert.
Phase 2: Nach Sperren des Transistors steigt die Spannung an der Diode sofort auf Höhe der Eingangsspannung. Diode D sperrt noch. Das Magnetfeld in der Induktivität L bricht zusammen und induziert eine hohe Spannung, die sich auf die Eingangsspannung addiert. Da C in der Phase 1 teilweise entladen wurde, ist die Spannung an der Kathode der Diode D niedriger als die nun sehr hohe Spannung an der Anode. Die Diode wird sofort leitend und lädt C auf die um die Induktionsspannung aufgestockte Eingangsspannung auf. Die Ausgangsspannung kann nahezu die doppelte Eingangsspannung erreichen.
Mit dem erneuten Durchschalten von Transistor T sperrt die Diode D wieder und eine neue Ladephase beginnt .

2. Praktische Umsetzung des Aufwärtswandlerprinzips mit dem IC L6920DB

Das Schaltregler-IC L6920DB arbeitet mit einer Schaltfrequenz bis zu 1MHz. Die Steuerung des L6920DB basiert auf einem Komparator, der die Ausgangsspannung ständig überwacht.

In Phase 1 (TON-Phase) schaltet der interne Transistor TI1 durch und legt die Induktivität L1 einseitig über die Pins 7 und 6 an Masse. Aus der Eingangsspannung +VIN fließt ein Strom und Energie wird in der Induktivität gespeichert. Bei einem Eingangsstrom von maximal 750mA oder nach einer maximalen Einschaltzeit von 5mS wird TI1 gesperrt.

In Phase 2 (TOFF-Phase) wird die in der Induktivität gespeicherte Energie für mindestens 1mS über den Synchronschalter TI2 in die Last auf der Ausgangsspannung +VOUT geleitet. Sinkt danach die Ausgangsspannung +VOUT unter den vorgegebenen Schwellwert oder wird der Strom aus der Induktivität null, öffnet TI2 wieder und eine neuer Ladezyklus wird ausgelöst.
 
Der Schwellwert, der die Höhe der Ausgangsspannung +VOUT bestimmt kann beim L6920 auf drei Arten definiert werden:

  1. Liegt der Rückkopplungseingang FB, Pin 1, über den Jumper J2 auf Masse, wird am internen programmierbaren Spannungsteiler RI1-RI3 eine Ausgangsspannung von 5V eingestellt.
  2. Ist der Rückkopplungseingang Pin 1 über J1 mit +VOUT verbunden, beträgt die Soll-Ausgangsspannung 3,3V.
  3. Über das Teilerverhältnis eines externen Spannungsteiler (R1/R2) kann die Ausgangsspannung frei zwischen 1,5 und 5,5V programmiert werden.


Da das L6020 oft in batteriebetriebenen Geräten eingesetzt wird, ist auch eine Batteriespannungsüberwachung im IC implementiert. Über einen Spannungsteiler am Pin 2 (hier nicht dargestellt) kann die Eingangsspannung gemessen werden. Fällt die Spannung am Pin 2 unter 1,38V wird der Open Drain-Ausgang am Pin 3 auf L-Pegel geschaltet und kann eine Aktion (Warnsignal, Abschalten des Gerätes) auslösen.

Abb. 2: Aufwärtswandler mit dem IC L6920DB
Abb. 2: Aufwärtswandler mit dem IC L6920DB

Praktische Anwendung finden finden Aufwärtswandler in batteriebetrieben Geräten mit nur einer oder wenigen Zellen, in netzbetriebenen Geräten, die Stufen mit einer hohen Betriebsspannungen haben (z.B. Ballaststufen für Quecksilberdampflampen in Projektoren) und in PFC-(Leistungsfaktorkorrektur-)Schaltungen.

 

 

REFERENZEN

Weblinks

1. STMicroelectronics Datenblatt und Applikationen zum L6920DB: http://www.st.com/web/en/catalog/sense_power/FM142/CL1456/SC356/PF75172

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