08.10.2016

Asynchrone AbwÀrtswandler mit geringer Ruhestromaufnahme auch bei hohen Temperaturen?

Glaubt man der Werbung, haben viele moderne AbwĂ€rtswandler eine sehr geringe Ruhestromaufnahme (Iq) in der GrĂ¶ĂŸenordnung von 20 bis 40 Mikroampere. In Wirklichkeit jedoch ist die Stromaufnahme ohne Last deutlich höher. Bei höheren Temperaturen kann sich die Stromaufnahme sogar um GrĂ¶ĂŸenordnungen verĂ€ndern. Dieser Artikel befasst sich damit, woraus sich die Stromaufnahme ohne Last – neben dem Iq-Wert des eigentlichen Wandlers – zusammensetzt und in welcher Weise sie von der Temperatur abhĂ€ngt. Außerdem wird beschrieben, wann dieser Effekt relevant ist und welche möglichen Gegenmaßnahmen es gibt.



Autor: Frank Dehmelt, Texas Instruments


Die Ruhestromaufnahme des Wandlers selbst ist auf jeden Fall nur eine von mehreren Komponenten und auch die Definition der Stromaufnahme ohne Last und ihre PrĂŒfbedingungen lassen erkennen, dass der Wandler unter realen VerhĂ€ltnissen mehr Strom ohne Last aufnimmt.


Unter der Ruhestromaufnahme eines Wandlers versteht man die Stromaufnahme ohne angeschlossene Last, im nicht schaltenden Zustand, wenn der Feedback-Pin mit der Referenzspannung oder etwas mehr angesteuert wird und potenziell ausschließlich bei Zimmertemperatur. Hinzu kommen gewisse Leckströme, das Wiederaufladen der Boot-Kondensatoren sowie eine möglicherweise erforderliche Ladungspumpe. Eine etwaige Temperaturdrift der Ruhestromaufnahme kann (muss aber nicht) separat spezifiziert werden.


Ein glĂŒcklicher Umstand ist, dass sich die Temperaturdrift der meisten Wandler auf eine Zunahme von höchstens rund 10 % bei höheren Temperaturen beschrĂ€nkt. Um zu PrĂŒfzwecken den Iq-Wert eines Wandlers anzugeben, wird der Feedback-Anschluss mit der Referenzspannung angesteuert. Auf diese Weise umgeht man den Teiler zum Erfassen der Ausgangsspannung. Der durch diesen Widerstandsteiler fließende Strom (er liegt meist in der GrĂ¶ĂŸenordnung von 10 ”A bis 50 ”A) entfĂ€llt somit, und indem man zusĂ€tzlich das Schalten der FETs unterbindet, werden weitere Verluste eingespart.


Unter realen VerhĂ€ltnissen tragen alle diese Effekte jedoch zur Stromaufnahme ohne Last bei. Die Grafik gibt Auskunft ĂŒber alle Komponenten, die neben der eigentlichen Ruhestromaufnahme Strom aus der Stromversorgung ziehen.





Bild 1. Schema eines asynchronen AbwÀrtswandlers mit seinen verschiedenen Strömen



Ein AbwĂ€rtswandler mit einer spezifizierten Ruhestromaufnahme von 30 ”A wird wegen des Stroms im Feedback-Teiler und der Schaltverluste bei Zimmertemperatur eher eine Stromaufnahme ohne Last von 50 ”A aufweisen. Allerdings erklĂ€rt dies nicht, weshalb die Stromaufnahme bei höheren Temperaturen um mehrere GrĂ¶ĂŸenordnungen zunimmt. Dieser Effekt tritt tatsĂ€chlich nur bei AbwĂ€rtswandlern auf, und die Freilaufdiode spielt dabei eine entscheidende Rolle.


Die meisten Dioden nĂ€mlich lassen bei hohen Temperaturen von 85 °C oder mehr einen deutlich höheren Sperrstrom durch als bei Zimmertemperatur (meist etwa um den Faktor 100 mehr). Bei Dioden mit niedrigen Nennspannungen und -strömen (z. B. 10 V/500 mA) findet man Typen, fĂŒr die bei Zimmertemperatur ein Sperrstrom angegeben ist, der nur 1 ”A betrĂ€gt, bei hohen Temperaturen jedoch auf etwa 100 ”A ansteigt.


Leider aber befindet sich die Diode bei geringer Last die allermeiste Zeit im gesperrten Zustand. Bei Dioden fĂŒr höhere Spannungen und Ströme von beispielsweise 40 V und 4 A erhöht sich der bei Zimmertemperatur im ein- oder niedrigen zweistelligen Mikroampere-Bereich liegende Sperrstrom auf mehrere Milliampere, sobald die Temperaturen hoch sind.


Zu beachten ist ferner der Anstieg des Sperrstroms bei höheren Sperrspannungen. Von niedrigen Spannungen bis zur maximal zulĂ€ssigen Spannung ist hier eine Zunahme von etwa einer Dekade zu erwarten. Allerdings geben aussagefĂ€hige Dioden-DatenblĂ€tter klar Auskunft ĂŒber den maximalen Sperrstrom bei der maximal zulĂ€ssigen Sperrspannung (und dies bei verschiedenen Temperaturen).


Jeder asynchrone Wandler wird folglich bei höheren Temperaturen eine höhere Stromaufnahme ohne Last aufweisen, die zu einem großen Teil von der Freilaufdiode und ihrem mit der Temperatur ansteigenden Sperrstrom dominiert wird.



Wann ist das ein Problem

Eindeutig unproblematisch ist das soeben beschriebene PhÀnomen, solange das fragliche System keinen relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. VernachlÀssigbar ist es auch dann, wenn das System nur im normalen Modus (d. h. schaltend) arbeitet und sich nicht bei höheren Temperaturen im Stromspar- oder No-Load-Modus befindet.


Ein Beispiel hierfĂŒr wĂ€re eine Automotive-Anwendung wie die Frontkamera, die bei hohen Temperaturen entweder ausgeschaltet ist (wenn etwa das Auto in der Sonne abgestellt wird), oder bei fahrendem Auto und laufendem Generator im Normalmodus arbeitet, in dem ein geringfĂŒgiger Effizienzverlust hingenommen werden kann.


Ähnlich ist es in industriellen Anwendungen: Systeme befinden sich hier kaum je im Standby-Modus, sondern sind entweder abgeschaltet oder arbeiten im normalen Modus. Relevant sein könnte das PhĂ€nomen dagegen – abhĂ€ngig von den zu erwartenden Temperaturen – fĂŒr batteriebetriebene Konsumprodukte. Wie stark sich der Effekt Ă€ußert, hĂ€ngt außerdem von der Sperrspannung (also in den meisten FĂ€llen von der Batteriespannung) und vom Laststrom ab, die beide ĂŒber die Wahl der Diode entscheiden.



Was tun, wenn dieser Effekt ein Problem darstellt

ZunĂ€chst gilt es Ruhe zu bewahren, was freilich leichter gesagt als getan ist. ZielfĂŒhrender ist die Wahl eines Synchronwandlers mit einem aktiven FET anstelle der Diode. Auch hier muss mit steigender Temperatur eine gewisse Zunahme einkalkuliert werden. Diese liegt jedoch bei einem Synchronwandler bei etwa 10 % und macht nicht etwa mehrere GrĂ¶ĂŸenordnungen aus wie bei einem asynchronen Wandler mit Freilaufdiode.



Fazit

Die Ruhestromaufnahme ist nur eine von mehreren Komponenten, aus denen sich die Stromaufnahme ohne Last zusammensetzt. Speziell bei hohen Temperaturen wirkt sich bei einem asynchronen Wandler der Sperrstrom der Freilaufdiode sehr stark aus. Dies kann in einigen Anwendungen hinnehmbar oder sogar vollkommen irrelevant sein. Sollte eine Zunahme der Ruhestromaufnahme bei hohen Temperatur jedoch problematisch sein, ist ein Synchronwandler wahrscheinlich die bessere Wahl.


Referenzen:

  • IQ: What it is, what it isn’t, and how to use it
  • Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters

 


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