Bei der Auswahl eines Schaltreglers ist der Wirkungsgrad das wichtigste Kriterium. Moderne kompakte Geräte müssen eine zuverlässige Stromversorgung auf kleinstem Raum gewährleisten. Die Fähigkeit, stabile Spannungen zu erzeugen und gleichzeitig hohe Ströme zu liefern, ist eine grundlegende Anforderung bei der Entwicklung elektronischer Komponenten. Schaltregler sind wichtige Geräte zum Erzeugen stabiler Versorgungsspannungen und zum Erhöhen oder Verringern von Spannungen. Schaltregler sind unter verschiedenen Namen bekannt: Konverter oder Schalter, Schaltnetzteile (SMPS) und DC/DC-Regler oder -Konverter. Ihre Beliebtheit steigt stetig, da sie Vorteile wie die Erfüllung hoher Anforderungen an die Umwandlungseffizienz, die Flexibilität bei der Erzeugung stabiler Ausgangsspannungen aus einer einzigen Eingangsspannungsquelle und die Anpassungsfähigkeit an Mehrfachausgangskonfigurationen mit unterschiedlichen Polaritäten bieten. Zu den gängigsten Arten von Schaltkonvertern gehören:

Boost-Typ:Erhöht die Eingangsspannung und liefert einen geregelten Ausgang.

Buck-Typ:Reduziert die Eingangsspannung und liefert einen geregelten Ausgang.

Buck-Boost:Erhöht oder verringert die Eingangsspannung, optional mit negativer Polarität.

Flyback-Typ:Eine Buck-Boost-Variante, die eine elektrische Isolierung bietet.

Konstantspannungs- und einstellbare lineare Spannungsregler

Jahrelang beruhten Netzteildesigns auf linearen Reglern. Linearregler zeichnen sich dadurch aus, dass sie kontinuierliche, feste Ausgangsspannungen liefern. Darüber hinaus bieten andere Linearregler (z. B. LM317) Einstellmöglichkeiten. Gängige Spannungsregler mit konstanter und linearer Ausgangsspannung sind die Serien 78xx (positiver Ausgang) und 79xx (negativer Ausgang). Diese Regler liefern stabile Ausgangsspannungen von 5 V bis 24 V. Linearregler sind keine Schaltnetzteile. Ihre Vorteile sind Einfachheit, niedrige Kosten, geringes Rauschen und geringe Welligkeit. Ihre Ausgangsleistung liegt jedoch typischerweise unter 10 W, und ihr Wirkungsgrad ist oft gering, was zu Wärmeentwicklung führt. Linearregler können nur abwärts regeln, während Schaltnetzteile Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Topologien nutzen können, um Spannungen zu erhöhen, zu verringern oder Polaritäten umzukehren.

Schaltnetzteile

Die meisten modernen Fernseher, PCs, Gleichstrommotortreiber und Leistungsverstärker benötigen fortschrittliche, hocheffiziente Schaltnetzteile. Diese Geräte nutzen Halbleiterschalttechnik anstelle herkömmlicher linearer Verfahren zur Bereitstellung von Ausgangsspannungen. Ein einfacher Schaltwandler besteht aus einer Leistungsschaltstufe und einer Steuerschaltung. SMPS bietet eine geringere Verlustleistung und höhere Effizienz durch den Betrieb interner Transistoren (oder Leistungs-MOSFETs) im gesättigten „EIN“- und im ausgeschalteten „AUS“-Zustand.

Abwärts-Schaltregler

Die LM2596x-Serie von SLKOR Semiconductor bietet hocheffiziente DC/DC-Abwärtswandler an, die eine kompakte Lösung für Anwendungen darstellen, die eine effiziente Leistungsumwandlung erfordern, wie beispielsweise im Automobil- und Industriebereich. Der LM2596x integriert einen Festfrequenzoszillator und ein Frequenzkompensationsmodul.

Das einfache Design erfordert nur minimale externe Komponenten. Der Chip verfügt außerdem über eine integrierte Freigabefunktion mit Hysterese, Übertemperaturschutz, Überstromschutz und sekundärem Überstromschutz. Bei sekundären Überstromereignissen reduziert der Chip die Betriebsfrequenz von 150 kHz auf 50 kHz. Ein Beispiel ist der Abwärts-Schaltregler LM2596S-ADJ (Abbildung 1).

Abbildung 1: LM2596S-ADJ Der Abwärts-Schaltregler liefert eine stabile Ausgangsspannung. (Bildnachweis: SLKOR Halbleiter)

Der Abwärts-Schaltregler LM2596SX-12 (Abbildung 2) ist ein 150-kHz-PWM-DC/DC-Wandler mit Festfrequenz. Er bietet eine Ausgangsstromansteuerung von 3 A mit hohem Wirkungsgrad, geringer Welligkeit und hervorragender Netz-/Lastregelung. Durch PWM-Modulation unterstützt der Chip einen linearen Tastgrad von 0–100 %.

Dieses Gerät bietet nicht nur ein hervorragendes Einschwingverhalten, sondern beansprucht auch nur minimale Leiterplattenfläche. Dank seines kompakten Gehäuses und der hohen Leistungsdichte eignet es sich ideal für LCD-Displays, Fernseher, digitale Bilderrahmen, Set-Top-Boxen, Modems, Telekommunikationsgeräte und Netzwerkausrüstung.

Abbildung 2: LM2596SX-12 Der Abwärts-Schaltregler erfüllt die Niederspannungsanforderungen. (Bildnachweis: SLKOR Halbleiter)

Boost-Schaltregler

Der SL2733 ist ein DC/DC-Aufwärtswandler, der präzisen Konstantstrom für die Ansteuerung mehrerer LEDs liefert. Mit einer festen Schaltfrequenz von 1 MHz kann der SL2733 mit kleinen externen Keramikkondensatoren und Induktivitäten kombiniert werden. Der Ausgangsstrom ist über einen externen Widerstand (R1) einstellbar, sodass mehrere LEDs in Reihe geschaltet werden können. Der SL2733 eignet sich für die Ansteuerung identischer LEDs und unterstützt bis zu neun weiße LEDs in Reihe oder eine maximale Ansteuerspannung von 32 V. Die LED-Helligkeit kann über Gleichspannung, Logiksignal oder Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt werden. Der Shutdown-Pin (SHDW) ermöglicht den Betrieb des Bausteins im Ruhestrom-Abschaltmodus. Zusätzlich zum Thermoschutz und zur Überlaststrombegrenzung wechselt der Chip bei LED-Leerlauffehlern in einen Ultra-Low-Power-Modus. Er befindet sich in einem kompakten SOT23-5-Gehäuse.

Kleiner ist besser

Verwendung der SL2188 reduziert die Anzahl externer Komponenten. Dieses Gerät unterstützt kompakte externe Komponenten, während seine Softstart-Funktion den Einschaltstrom minimiert. Es bewältigt ein breites Spektrum an Stromlasten und integriert einen Leistungs-MOSFET, der Spitzenschaltströme von über 1 A bei einer Ausgangsspannung von bis zu 3.6 V unterstützt. Dieses vielseitige, leistungsstarke und kompakte Design ist ideal für einzellige Lithiumbatterieprodukte, einschließlich zwei- und dreizelliger Alkali-, NiMH- oder NiCd-Batteriesysteme. Aufwärtswandler wie der SL2188 eignen sich ideal für drahtlose Peripheriegeräte, Gaming-Zubehör, medizinische Geräte und tragbare Mediaplayer. Der rasante technologische Fortschritt führt zu immer kleineren Formfaktoren. Im Vergleich zum SOP-J8 reduziert der SL23 im SOT2188-Gehäuse den Platzbedarf auf der Leiterplatte deutlich.

Abbildung 3: Da die Bauelemente immer kleiner werden, werden miniaturisierte Gehäuse (z. B. SOT23) unverzichtbar. (Bildnachweis: SLKOR Halbleiter)

Maximierung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromverbrauchs

Die Forderung nach Miniaturisierung bleibt neben der Notwendigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz aufrechtzuerhalten, eine treibende Kraft. Der Abwärts-Schaltregler SY8120B (Abbildung 4) bietet ein kompaktes Design mit einstellbarem Ausgang und zuverlässiger Stromversorgung.

Abbildung 4: Der SY8120B ist ein Abwärts-Schaltregler, der zuverlässig Leistung in einem kleineren, kompakteren Design liefert. (Bildnachweis: SLKOR Halbleiter)

Manche gehen vielleicht davon aus, dass die Miniaturisierung zu Lasten der Belastbarkeit oder der zuverlässigen Stromversorgung geht, aber das ist nicht der Fall. Der SY8120B erreicht einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig reduziertem Stromverbrauch (Abbildung 5). Durch den niedrigen Standby-Strom minimieren batteriebetriebene Geräte den Stromverbrauch im Leerlauf. Darüber hinaus ermöglicht die konstante Einschaltzeitregelung einen effizienten Betrieb bei geringer Last.

 
Abbildung 5: Entwickler suchen nach hocheffizienten DC/DC-Abwärtswandlern, die zuverlässig Strom liefern. (Bildnachweis: SLKOR Halbleiter)

Sperrwandler für AC/DC- und DC/DC-Anwendungen

Ein Sperrwandler ist eine Abwärts-/Aufwärtswandler-Topologie mit einem Sperrtransformator. Er eignet sich sowohl für die AC/DC- als auch für die DC/DC-Wandlung und bietet eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Er bietet außerdem Vorteile hinsichtlich der Spannungsvervielfachung und Isolierung. Isolierte Leistungswandler nutzen zwei Steuerungsarten: Spannungsregelung und Stromregelung. Für einen stabilen Betrieb wird üblicherweise die Stromregelung bevorzugt.

Buck-Boost-DC/DC-Wandler

Ein Abwärts-/Aufwärtswandler ist ein klassischer DC/DC-Wandler, dessen Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein kann. Er kann auch negative Spannungen erzeugen. Ähnlich wie ein Sperrwandler verwendet er anstelle eines Transformators eine einzelne Induktivität. Der Abwärts-/Aufwärtswandler umfasst zwei unterschiedliche Topologien, die Ausgangsspannungen von über der Eingangsspannung bis hin zu Null erzeugen können. DC/DC-Netzteile, auch „Chopper“ genannt, enthalten eine Abwärts-/Aufwärtsschaltung, die je nach Tastverhältnis entweder als Aufwärts- oder Abwärtswandler fungiert.

Fazit

Die hocheffiziente Leistungsumwandlung in modernen Automobil- und Industriedesigns basiert auf Schaltreglern. Da die Designs immer kompakter werden, ist die Nachfrage nach vielseitigen, hocheffizienten Geräten, die stabile Leistungspegel gewährleisten, so groß wie nie zuvor. Schaltregler haben zwar verschiedene Namen – SMPS, DC/DC-Schaltregler, Konverter oder Regler –SLKOR bietet eine breite Palette kompakter Lösungen für Anwendungen, die eine effiziente Energieumwandlung erfordern.

Schaltregler sind für die Entwicklung elektronischer Systeme von großer Bedeutung, da sie eine stabile, effiziente Leistungsumwandlung mit Miniaturisierung und Multifunktionalität ermöglichen. Sie sind in zahlreichen Bereichen weit verbreitet. Dieser Artikel vermittelt ein tieferes Verständnis der grundlegenden Konzepte und Typen von Schaltreglern, der Unterschiede zwischen Linearreglern und Schaltnetzteilen und SLKORDie hocheffizienten Schaltreglerprodukte von und ihre Anwendungen. 

Welche Erfahrungen oder Fragen haben Sie zum Design und den Anwendungen von Schaltreglern? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren!