Wir vergleichen verschiedene Arten von DC/DC-Wandlern, einschließlich linearer Netzteile und Schaltnetzteile, Abwärtswandlern, Aufwärtswandlern, Abwärts-/Aufwärtswandlern und transformatorbasierter isolierender DC/DC-Wandler, damit Sie sich für das Richtige entscheiden können.
Lineares Netzteil im Vergleich zu Schaltnetzteilen
Ein DC/DC-Wandler ist eine Art der Stromversorgung, die den Spannungswert einer Gleichstromquelle (DC) in einen anderen Spannungswert umwandelt. Es gibt zwei Arten von DC/DC-Wandlern: lineare und geschaltete Wandler. Der lineare DC/DC-Wandler verwendet einen resistiven Spannungsabfall zur Erzeugung und Regulierung einer vorgegebenen Ausgangsspannung. Ein geschalteter DC/DC-Wandler speichert periodisch die Eingangsenergie und gibt diese Energie dann bei einer anderen Spannung an den Ausgang ab. Die Speicherung kann entweder in einer Komponente mit magnetischem Feld wie einem Induktor oder einem Transformator oder in einer Komponente mit elektrischem Feld wie einem Kondensator erfolgen. Transformatorbasierte Wandler sorgen für eine Isolierung zwischen Eingang und Ausgang.
Geschaltete Wandler bieten drei wichtige Vorteile:
Im Gegensatz zu einem geschalteten Wandler kann ein linearer Wandler nur eine Spannung erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung ist. Während geschaltete DC/DC-Wandler viele Vorteile bieten, gibt es auch einige Nachteile. Sie sind im Vergleich zu einer linearen Schaltung verrauscht und benötigen ein Energiemanagement in Form eines Regelkreises. Glücklicherweise wird die Regelung durch moderne geschaltete Controllerchips erleichtert.
Nicht isolierte DC/DC-Wandler
Im Wesentlichen handelt es sich bei einem geschalteten DC-Wandler oder einem Regler um eine Schaltung, die die Energie mithilfe eines Leistungsschalters, eines Induktors, einer Diode und eines Kondensators vom Eingang zum Ausgang überträgt. Diese Komponenten können auf vielfältige Weise angeordnet werden, um die oben genannten Arten von Abwärtswandlern, Aufwärtswandlern oder Wechselrichtern zu realisieren.
Abwärtswandler (Buck)
Bei einem herkömmlichen nicht isolierten Abwärtswandler (Buck) hängt die Ausgangsspannung VOUT von der Eingangsspannung VIN und dem Schalttastenverhältnis D des Leistungsschalters ab.
Abbildung 1: Die grundlegende Topologie eines DC/DC-Abwärtswandlers (Buck).
Aufwärtswandler (Boost)
Ein herkömmlicher Aufwärtswandler (Boost) nutzt die gleiche Anzahl passiver Komponenten. Diese sind jedoch so angeordnet, dass die Eingangsspannung herauftransformiert wird, damit die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist.
Abbildung 2: Die grundlegende Topologie eines DC/DC-Aufwärtswandlers (Boost).
Wechselrichter (Buck-Boost)
Bei einem typischen DC/DC-Abwärts-Aufwärts-Wandler wird die Eingangsgleichspannung je nach Arbeitszyklus entweder herauf- oder heruntertransformiert. Die Ausgangsspannung ergibt sich folgendermaßen:
VOUT = -VIN *D/(1-D)
Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, wird die Polarität der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung stets umgekehrt. Daher wird ein Abwärts-Aufwärts-Wandler auch als Spannungswechselrichter bezeichnet.
Abbildung 3: Die typische Topologie eines DC/DC-Abwärts-Aufwärts-Wandlers (Buck-Boost).
Isolierte DC/DC-Wandler
Es gibt zwei Haupttypen von transformatorbasierten isolierenden DC/DC-Wandlern: Sperrwandler und Durchflusswandler. Bei beiden Typen sorgt der Transformator für eine Isolierung zwischen Eingang und Ausgang.
Der Sperrwandler funktioniert wie ein Abwärts-Aufwärts-Wandler, nutzt aber einen Transformator zum Speichern der Energie:
Abbildung 4: Die grundlegende Topologie eines transformatorbasierten DC/DC-Sperrwandlers.
Bei Durchflusswandlern wird der Transformator in der üblichen Weise eingesetzt, um die Energie von der Primär- zur Sekundärspule zu übertragen, sobald der Schalter geschlossen wird.
Bei diesen Beispielen wird der Schalt-MOSFET durch einen idealen Schalter repräsentiert und die Regelschaltkreise sind ausgespart. Dies sind nicht synchrone Wandler. Wird der herkömmliche Diodengleichrichter jedoch durch einen MOSFET für die Gleichrichtung ersetzt, wird dies als synchrone Gleichrichtung und der entsprechende Wandler als synchroner DC/DC-Wandler bezeichnet.
Sie möchten noch mehr Informationen zur Stromversorgung erhalten? Weitere Informationen dazu, wie Schaltnetzteile Ihr Design optimieren können, finden Sie in unserer detaillierten Erläuterung darüber, wie Schaltnetzteile funktionieren. Dabei können Sie auch herausfinden, ob Ihr Projekt eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung benötigt. Sie benötigen eine AC/DC-Lösung? Dieser Artikel kann Ihnen dabei helfen, die richtige auszuwählen.