Asynchrone Abwärtswandler mit geringer Ruhestromaufnahme auch bei hohen Temperaturen?
Autor: Frank Dehmelt, Texas Instruments
Glaubt man der Werbung, haben viele moderne Abwärtswandler eine sehr geringe Ruhestromaufnahme (Iq) in der Größenordnung von 20 bis 40 Mikroampere. In Wirklichkeit jedoch ist die Stromaufnahme ohne Last deutlich höher. Bei höheren Temperaturen kann sich die Stromaufnahme sogar um Größenordnungen verändern. 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 abhängt. Außerdem wird beschrieben, wann dieser Effekt relevant ist und welche möglichen Gegenmaßnahmen es gibt.
Die Ruhestromaufnahme des Wandlers selbst ist auf jeden Fall nur eine von mehreren Komponenten und auch die Definition der Stromaufnahme ohne Last und ihre Prüfbedingungen lassen erkennen, dass der Wandler unter realen Verhältnissen 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 glücklicher Umstand ist, dass sich die Temperaturdrift der meisten Wandler auf eine Zunahme von höchstens rund 10 % bei höheren Temperaturen beschränkt. Um zu Prüfzwecken 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 Größenordnung von 10 µA bis 50 µA) entfällt somit, und indem man zusätzlich das Schalten der FETs unterbindet, werden weitere Verluste eingespart.
Unter realen Verhältnissen tragen alle diese Effekte jedoch zur Stromaufnahme ohne Last bei. Die Grafik gibt Auskunft über alle Komponenten, die neben der eigentlichen Ruhestromaufnahme Strom aus der Stromversorgung ziehen.
Ein Abwärtswandler mit einer spezifizierten Ruhestromaufnahme von 30 µA wird wegen des Stroms im Feedback-Teiler und der Schaltverluste bei Zimmertemperatur eher eine Stromaufnahme ohne Last von 50 µA aufweisen. Allerdings erklärt dies nicht, weshalb die Stromaufnahme bei höheren Temperaturen um mehrere Größenordnungen zunimmt. Dieser Effekt tritt tatsächlich nur bei Abwärtswandlern auf, und die Freilaufdiode spielt dabei eine entscheidende Rolle.
Die meisten Dioden nämlich 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, für die bei Zimmertemperatur ein Sperrstrom angegeben ist, der nur 1 µA beträgt, bei hohen Temperaturen jedoch auf etwa 100 µA ansteigt.
Leider aber befindet sich die Diode bei geringer Last die allermeiste Zeit im gesperrten Zustand. Bei Dioden für 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 zulässigen Spannung ist hier eine Zunahme von etwa einer Dekade zu erwarten. Allerdings geben aussagefähige Dioden-Datenblätter klar Auskunft über den maximalen Sperrstrom bei der maximal zulässigen 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 Phänomen, solange das fragliche System keinen relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Vernachlässigbar 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 hierfür wäre 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 geringfügiger 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 Phänomen dagegen – abhängig von den zu erwartenden Temperaturen – für batteriebetriebene Konsumprodukte. Wie stark sich der Effekt äußert, hängt außerdem von der Sperrspannung (also in den meisten Fällen von der Batteriespannung) und vom Laststrom ab, die beide über die Wahl der Diode entscheiden.
Was tun, wenn dieser Effekt ein Problem darstellt?
Zunächst gilt es Ruhe zu bewahren, was freilich leichter gesagt als getan ist. Zielführender 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 Größenordnungen 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