Arten von DC-DC-Wandlern

Wir vergleichen verschiedene Typen von DC-DC-Wandlern, einschließlich linear vs. Schaltmodus, Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-Aufwärts- und transformatorbasierten isolierten Wandlern, damit Sie den richtigen auswählen können.

Was ist ein DC-Wandler? Lineare vs. Schaltmodus-Wandler

Ein DC/DC-Wandler ist eine Klasse von Stromversorgungen, die eine Gleichstromquelle (DC) von einer Spannungsebene in eine andere umwandelt. Es gibt zwei Arten von DC/DC-Wandlern: linear und geschaltet. Ein linearer DC/DC-Wandler verwendet einen resistiven Spannungsabfall, um eine bestimmte Ausgangsspannung zu erzeugen und zu regulieren, ein geschalteter DC/DC-Wandler speichert die Eingangsenergie periodisch und gibt diese Energie dann bei einer anderen Spannung an den Ausgang ab. Die Speicherung kann entweder in einem magnetischen Feldbauteil wie einem Induktor oder einem Transformator oder in einem elektrischen Feldbauteil wie einem Kondensator erfolgen. Transformatorbasierte Wandler bieten eine Isolation zwischen Eingang und Ausgang.
 
Schaltbetriebene DC/DC-Wandler bieten drei Hauptvorteile:

• Die Leistungskonversionseffizienz ist viel höher.
• Da die Schaltfrequenz höher ist, sind die passiven Bauteile kleiner und die geringeren Verluste vereinfachen das Wärmemanagement.
• Die Energie, die in einem Induktor eines Schaltreglers gespeichert wird, kann in Ausgangsspannungen umgewandelt werden, die kleiner als der Eingang (Abwärts- oder Buck-Wandler), größer als der Eingang (Boost-Wandler) oder Buck-Boost mit umgekehrter Polarität (Inverter) sind.
  

Im Gegensatz zu einem Schaltwandler kann ein Linearwandler nur eine Spannung erzeugen, die niedriger ist als die Eingangsspannung. Während es viele Vorteile gibt, gibt es auch einige Nachteile bei Schalt-DC/DC-Wandlern. Sie sind im Vergleich zu einem linearen Schaltkreis laut und erfordern ein Energiemanagement in Form einer Regelungsschleife. Glücklicherweise machen moderne Schaltregler-Chips die Steuerungsaufgabe einfach.

Nicht-isolierte DC/DC-Wandler

Im Wesentlichen ist ein DC/DC-Schaltwandler oder -Regler eine Schaltung, die einen Leistungsschalter, eine Spule, eine Diode und einen Kondensator verwendet, um die Energie vom Eingang zum Ausgang zu übertragen. Diese können auf verschiedene Weisen angeordnet werden, um die zuvor genannten Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Typen (Inverter) zu realisieren.

Abwärtswandler/Buck-Konverter

In einem typischen nicht isolierten Abwärtswandler oder Buck-Konverter hängt die Ausgangsspannung V_OUT von der Eingangsspannung V_IN und dem Schaltverhältnis D des Leistungsschalters ab.

Aufwärtswandler/Boost-Konverter

Ein grundlegender Aufwärts-DC/DC-Wandler verwendet die gleiche Anzahl an passiven Komponenten, ist jedoch so angeordnet, dass die Eingangsspannung erhöht wird, sodass die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist.

Buck-Boost-Wandler

Eine typische Buck-Boost-DC/DC-Schaltung ermöglicht es, dass die Eingangsgleichspannung je nach Tastverhältnis entweder hoch- oder heruntergesetzt wird. Die Ausgangsspannung wird wie folgt angegeben:   V_OUT = -V_IN *D/(1-D)   Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, ist die Ausgangsspannung immer in Bezug auf die Eingangs polaritätsumgekehrt. Daher wird ein Buck-Boost-Wandler auch als Spannungsinverter bezeichnet.

Isolierte DC/DC-Wandler

Es gibt zwei Haupttypen von transformatorbasierten isolierenden DC/DC-Wandlern: Flyback und Forward. Bei beiden Typen sorgt der Transformator für die Isolation zwischen Eingang und Ausgang.   Der Flyback-Typ funktioniert wie ein Abwärts-/Aufwärtswandler, nutzt jedoch einen Transformator zur Energiespeicherung:

In der Vorwärtstopologie wird der Transformator in traditioneller Weise verwendet, um Energie vom Primär- zum Sekundärkreis zu übertragen, wenn der Schalter geschlossen ist.
 
Für diese Beispiele wird der schaltende MOSFET durch einen idealen Schalter dargestellt und die Steuerschaltung wird weggelassen. Es handelt sich um nicht-synchrone Konvertertypen. Wenn jedoch der traditionelle Diodengleichrichter durch einen MOSFET zur Gleichrichtung ersetzt wird, spricht man von synchroner Gleichrichtung und der Konverter wird als synchroner DC/DC-Wandler bezeichnet.
 
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