Die Magie der DC-DC-Spannungswandlung (2023)
(lcamtuf.substack.com)- Die Spannung von Batterien und günstigen Adaptern passt nicht zu den benötigten Spannungen von Motoren, LCD-Hintergrundbeleuchtungen und digitalen Chips, daher sind die meisten Unterhaltungselektronikgeräte auf DC-Spannungswandlung angewiesen
- Widerstands-Spannungsteiler und lineare Regler sind einfach, aber mit steigender Laststromstärke oder größerem Spannungsabfall wachsen Probleme durch Wärmeverluste und verkürzte Batterielaufzeit schnell an
- Ladungspumpen können Spannungen allein durch das Schalten von Kondensatoren vervielfachen oder teilen und erreichen teils einen Wirkungsgrad von über 90 %, haben in einfachen Aufbauten aber Grenzen bei der Spannungsregelung und bei Lasten mit hohem Strombedarf
- Buck-Wandler erzeugen mit Induktivität und Schaltern präzise niedrigere Spannungen, und selbst kleine Bauteile können Ströme im Bereich mehrerer Ampere verarbeiten, allerdings müssen Induktivitätsverluste und Hochfrequenzstörungen berücksichtigt werden
- Boost-Wandler erzeugen durch das Zusammenbrechen des Magnetfelds einer Induktivität höhere Spannungen als die Versorgungsspannung; da der Ausgang auf Hunderte oder Tausende Volt steigen kann, ist eine Ausgangsregelung unerlässlich
Warum Spannungswandlung nötig ist
- Nahezu alle Unterhaltungselektronik auf dem Markt führt in irgendeiner Form DC-Spannungswandlung aus
- Die Ausgangsspannung üblicher Batterien oder günstiger Steckernetzteile passt nicht zu den Anforderungen aller Komponenten einer Schaltung
- Motoren
- LCD-Hintergrundbeleuchtungen
- digitale Chips der neuesten Generation
- Selbst innerhalb eines Mikrocontrollers kann Spannungswandlung stattfinden
- Für EEPROM und Flash-Speicher kann es eine kleine interne Ladungspumpe geben, die eine höhere Spannung erzeugt
- Für den CPU-Kern kann es einen separaten Regler geben, der eine niedrigere Spannung erzeugt
- In Hobby-Elektronikschaltungen werden ältere lineare ICs wie LM7805 und LM317 manchmal zusammen mit modernen 32-Bit-MCUs verwendet
- Auch seit dem Aufkommen von Schaltreglern werden häufig einfach bestehende Designs kopiert, ohne zu prüfen, ob sie für die jeweilige Aufgabe geeignet sind
Widerstandsbasierter Spannungsteiler
- Die einfachste Methode, aus einer bekannten stabilen Versorgungsspannung eine Zwischenstufe zu erzeugen, ist ein Widerstands-Spannungsteiler
- Wenn an den Knoten zwischen R1 und R2 keine nennenswerte Last angeschlossen ist, ist der Strom durch beide Widerstände gleich
- Die Zwischenspannung wird aus dem Spannungsabfall über R2 berechnet; gilt R1 = R2, liegt am Mittelpunkt die halbe Versorgungsspannung an
- Die größte Einschränkung ist, dass der in die Last abfließende Strom im Vergleich zum Strom durch R1 und R2 vernachlässigbar klein sein muss
- Ist diese Bedingung nicht erfüllt, hängt die Zwischenspannung vom Verhalten der Last ab
- Um einer leistungsstarken Last eine stabile Spannung bereitzustellen, wären unrealistisch kleine Widerstandswerte nötig
- Dadurch fließt ein großer verschwenderischer Strom durch den Pfad R1-R2
- In der Praxis wird das häufig als Bias-Netzwerk für op-amp-Eingänge oder FET-Gate-Bias verwendet
- In solchen Anwendungen gibt es praktisch keine Last, und die Widerstandswerte können im Bereich von 10kΩ bis 100kΩ liegen
- Der verschwendete Strom bleibt im Mikroampere-Bereich
Die Last als Teil des Spannungsteilers verwenden
- Wenn sich die Last unter den Schaltungsbedingungen nahezu wie ein konstanter Widerstand verhält, kann die Last selbst anstelle von R2 als Teil des Spannungsteilers verwendet werden
- Auch diese Methode verschwendet weiterhin Energie
- Das Absenken der Lastspannung geschieht dadurch, dass R1 den Elektronenfluss behindert und einen Teil der zugeführten Energie in Wärme umwandelt
- Die Verlustwärme wird nach dem Jouleschen Gesetz mit P = IV berechnet
- Wenn der Strom groß ist und die benötigte Spannungsabsenkung mehr als ein Bruchteil eines Volts beträgt, werden die Verluste erheblich
- Es gibt nicht viele Lasten, die nützliche Arbeit verrichten und sich gleichzeitig wie ein konstanter Widerstand verhalten
- Integrierte Schaltungen, die Programme ausführen, zählen nicht dazu
- Belastete Motoren ebenfalls nicht
- Bei solchen Lasten ändern sich der benötigte Strom und die scheinbare Leitfähigkeit bzw. der Widerstand mit der Zeit, sodass die von den Widerstandsverhältnissen abhängige Ausgangsspannung des Teilers schwankt
Grundlegende lineare Regler
- Wenn man ein Bauteil, das sich wie ein veränderlicher Widerstand verhält, per Feedback steuert, lässt sich auch bei veränderlichem Lastwiderstand eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten
- Ein transistorbasierter Spannungsfolger arbeitet ähnlich
- Ein n-Kanal-MOSFET beginnt zu leiten, wenn die Spannung zwischen Source und Gate ausreichend positiv ist
- Es ist möglich, die gewünschte Spannung per Widerstands-Spannungsteiler ans Gate zu legen und die Last an der Source-Seite zu platzieren
- Mit einem universellen MOSFET wie dem 2N7000 lässt sich das umsetzen, funktioniert aber nicht so gut wie erwartet
- Vth ist kein binärer Schwellwert
- Beim BS170 ist Vth mit 2,1 V bei 1 mA angegeben, doch um 100 mA zu liefern, muss Vgs etwa 3,2 V erreichen
- Wenn bei festem Vref ein größerer Laststrom nötig ist, wächst der Abstand zwischen Source- und Referenzspannung und die Ausgangsspannung sackt ab
- Ein interner Zener-Diode kann eine absolute Spannungsreferenz liefern und Vref auch bei schwankender Versorgungsspannung stabiler machen
- Die Diode erzeugt einen vergleichsweise konstanten Spannungsabfall aufgrund der Energie, die erforderlich ist, um bei kontrolliertem Stromfluss die Verarmungszone eines p-n-Übergangs zu durchqueren
- Nutzt man einen op-amp als Spannungsfolger, um die an die Last gelieferte Ausgangsspannung direkt zu überwachen, lassen sich die Grenzen eines Ein-Transistor-Designs mindern
- Das Bauteil erkennt die Differenz zwischen Vref und Vout
- Es passt die Gate-Spannung des Transistors in die entgegengesetzte Richtung an, um den Fehler zu beseitigen
- Dieses Feedback eliminiert die nichtideale Beziehung zwischen Gate-Source-Spannung und Drainstrom sowie den Vth-Offset
- Zwei Rückkopplungswiderstände sind optional und können die Ausgangsspannung proportional zur Dioden-Referenzspannung einstellen
- Wenn R1 = R2 gilt, ist Vout = 2 × Vref
- Lineare Regler sind letztlich ausgeklügelte veränderliche Widerstände und ohne besonderen Grund schwer zu rechtfertigen
- Energie wird proportional zu I und V verschwendet
- Probleme bei der Wärmeabfuhr und eine verkürzte Batterielaufzeit sind die Folge
- Ausnahmen sind Fälle mit sehr kleinem Strom oder sehr kleinem benötigtem Spannungsabfall
- op-amp-Eingangs-Bias
- Erzeugung einer ADC-Referenzspannung
- Präzise lineare Regler eignen sich für solche Anwendungen
Switched-Capacitor-Wandler und Ladungspumpen
- Schaltregler wirken komplex, aber das Grundprinzip einer Ladungspumpe ist die Verschiebung von Ladung zwischen einem Flying Capacitor und einem Ausgangskondensator
- Wird der Flying Capacitor Cf an die Versorgungsschienen angeschlossen, entsteht zwischen seinen Anschlüssen dieselbe Spannung wie Vsupply
- Diese Spannung ist das Ergebnis der im elektrischen Feld des Kondensators gespeicherten Ladung
- Sie bleibt nach dem Trennen von der Stromversorgung für kurze Zeit erhalten
- Verbindet man den geladenen Cf mit dem Ausgangskondensator Co, wird ein Teil der Ladung auf Co übertragen, sodass an den Anschlüssen des Ausgangskondensators eine positive Spannung entsteht
- Wiederholt man diesen Vorgang, wird Co nahezu vollständig geladen
- Die Spannung zwischen A und B nähert sich Vsupply an
- Wird der stärker negative Anschluss B des Ausgangskondensators mit der positiven Versorgungsschiene verbunden, kann zwischen A und C eine Spannung von 2 × Vsupply gemessen werden, was einen Spannungsvervielfacher ergibt
- In realen Ladungspumpen werden die Kondensatoren nicht physisch bewegt; stattdessen schalten vier FETs in einer festgelegten Reihenfolge elektrisch um
- Die Schaltfrequenz liegt meist zwischen 100kHz und 2MHz
- Eine Überwachungsschaltung vermittelt das Schalten, um der angeschlossenen Last nahezu ohne Unterbrechung Energie zuzuführen
- Diese Überwachungsfunktion kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden; zunehmend üblich sind auch einfache Mikrocontroller-Strukturen, die kleinen Code ausführen
- Durch Ändern der Ausgangskondensator-Anordnung lassen sich andere Multiplikationsfaktoren oder negative Spannungen erzeugen
- Hängt man Co an die Masse-Schiene und dreht Cf abwechselnd um, lässt sich eine negative Spannung erzeugen
- Da die Ladungsübertragung symmetrisch ist, eignet sich derselbe Ansatz auch für Spannungsteilung
- Kondensatoren halten ihr internes elektrisches Feld gut fest, und moderne MLCCs zeigen bei den üblichen Betriebsfrequenzen von Ladungspumpen eine niedrige Impedanz
- Wandler-ICs wie LM2776 erreichen über weite Lastbereiche oft Wirkungsgrade von über 90 %
- Auch Hochfrequenzstörungen sind nicht groß
- Die Struktur ist einfach und benötigt keine anspruchsvolle Steuerlogik, weshalb sich auch Ad-hoc-Implementierungen ohne dedizierten Controller-Chip leicht realisieren lassen
- Die große Einschränkung einfacher Ladungspumpen ist die fehlende Spannungsregelung
- Sie können beliebige Vielfache von Vsupply erzeugen, aber wenn die Versorgungsspannung schwankt, schwankt auch der Ausgang
- Eine grobe Regelung ist möglich, indem die Ausgangsspannung überwacht und die Ladungsübertragung gestoppt wird, sobald der Sollwert erreicht ist
- Man kann am Ausgang auch einen linearen Regler ergänzen, muss dann aber Wirkungsgradverluste in Kauf nehmen
- LTC3240 ist ein Beispiel für eine hochsetzende Ladungspumpe mit einer Regelgenauigkeit von etwa ±5 %
- Die Ladungsübertragung bei Ladungspumpen ist von Natur aus diskontinuierlich und hängt von der Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren ab
- Je näher die Ausgangsspannung dem Zielwert kommt, desto weniger Ladung kann pro Zyklus übertragen werden
- Für Anwendungen mit hohem Strom sind sie daher weniger geeignet
- Ladungspumpen werden selten für Lasten über etwa 200 mA eingesetzt
- Oberhalb davon sind induktivitätsbasierte Lösungen überlegen
Buck-Wandler
- Der einfachste induktivitätsbasierte Spannungsregler ist der Buck-Wandler, der eine geregelte Ausgangsspannung unterhalb der Versorgungsspannung erzeugt
- Der Controller überwacht die Ausgangsspannung; fällt sie unter einen vorgegebenen Wert, schaltet er den Schalter ein und lädt den Ausgangskondensator von der Versorgungsschiene aus wieder auf
- Ohne eine Methode zur Begrenzung des Einschaltstroms könnte der Kondensator zu schnell geladen werden, sodass Vout sofort bis auf Vsupply überschwingt
- Man könnte einen kleinen Widerstand in den Ladepfad einfügen, aber dann wird ein Teil der Energie als Wärme vergeudet
- Eine Induktivität ist die bessere Wahl, weil sie Stromänderungen entgegenwirkt und einen Teil der Energie reversibel in ihrem Magnetfeld speichert
- Wenn der Schalter geschlossen wird, steigt der Strom durch die Induktivität allmählich an, sodass sich der Ladezustand des Kondensators leichter kontrollieren lässt
- Wenn der Schalter geöffnet wird, versucht das zusammenbrechende Magnetfeld der Induktivität, den bisherigen Stromfluss aufrechtzuerhalten
- Ohne neuen Pfad entsteht an den Anschlüssen der Induktivität ein gefährlicher Spannungsspitze
- Die Schalterseite wird negativer, die Kondensatorseite positiver
- Die gespeicherte Energie würde unproduktiv verbraucht, und die Induktivität wäre kaum besser als ein Widerstand
- Um das zu verhindern, benötigt ein einfacher Buck-Wandler eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode oder einen Hilfsschalter
- Wird die linke Seite der Induktivität negativer als die 0-V-Schiene, beginnt die Diode zu leiten
- Das zusammenbrechende Magnetfeld zieht Elektronen von der 0-V-Schiene an und drückt sie in Richtung Kondensator und Last
- Der Entwickler muss auch den Strom berücksichtigen, der fließt, während der Schalter aus ist, um ein Überladen des Kondensators zu verhindern
- Die im Magnetfeld gespeicherte Energie ist nahezu proportional zur Einschaltzeit der Induktivität
- Daher lässt sich das Ausmaß des Effekts gut vorhersagen und steuern
- Buck-Wandler werben mit hohem Schaltwirkungsgrad, doch optimale Leistung wird meist nur in einem bestimmten Lastbereich erreicht
- Eine der wichtigsten Verlustquellen ist der Widerstand der Induktivitätsspule
- Bei günstigen Bauteilen mit kleinem Footprint kann dieser Widerstand hoch sein
- Aus der Induktivität austretende elektromagnetische Felder verursachen Verluste und Funkstörungen im MF- und HF-Band
- Für manche Anwendungen wie Radioempfänger oder Präzisionsverstärker können Schaltversorgungen problematisch sein
- Andererseits arbeiten Buck-Wandler halbkontinuierlich und sind stark bei hoher Stromlieferfähigkeit und Spannungsregelung
- Es gibt einen direkten Strompfad von der Versorgung zur Last
- Zwischen den Anschlüssen der Induktivität besteht eine konsistente Spannungsdifferenz
- Kleine Bauteile wie der AP63203 können bereits mehrere Ampere verarbeiten
- Da der Strom durch die Induktivität allmählich ansteigt, ist eine hervorragende Spannungsregelung möglich
- Neben ICs, die eine externe Induktivität benötigen, gibt es auch günstige integrierte Module, die das Schaltungsdesign vereinfachen
- CUI VXO7803-500
- MPS mEZD71202A-F
- Mit Verkaufspreisen von etwa $1 bis $2 können sie in Hobby-Schaltungen eine zeitsparende Option sein
Boost-Wandler
- Buck-Regler können nur Spannungen unterhalb der Versorgungsschiene erzeugen, denn wenn die Spannung am Ausgangskondensator höher als die Versorgungsspannung wird, fließt der Strom durch die Induktivität beim Schließen des Schalters rückwärts
- Die gängige Methode zur Erzeugung höherer Spannungen ist die Boost-Topologie
- Wenn der Schalter geschlossen wird, entsteht prinzipiell ein Kurzschluss zwischen den Versorgungsschienen, doch für kurze Zeit unterdrückt die Induktivität den Stromfluss und leitet die Versorgungsenergie in ihr internes Magnetfeld um
- Dieser Effekt lässt schnell nach, wenn der Kern in Sättigung gerät
- Um eine Zerstörung der Induktivität oder Energieverschwendung zu vermeiden, darf der Schalter nicht zu lange geschlossen bleiben
- Wenn der Schalter geöffnet wird, versucht das zusammenbrechende Magnetfeld der Induktivität, den Ladungsfluss in derselben Richtung beizubehalten
- Der linke Anschluss der Spule wird negativer
- Der rechte Anschluss wird positiver
- Die stärker negative Seite bleibt weiterhin mit der positiven Versorgungsschiene verbunden, sodass das Bezugspotenzial der Versorgung konstant bleibt
- Am anderen Anschluss erscheint dadurch eine Spannung oberhalb von Vsupply
- Diese Spannungsspitze lässt die Diode leitend werden und überträgt Energie auf den Kondensator
- Die maximale elektromotorische Kraft, die die Spule erzeugen kann, kann weit über Vsupply hinausgehen, sodass sich der Kondensator auch auf deutlich höhere Spannungen aufladen kann
- Wenn schnell genug geschaltet wird und der Vorgang unbegrenzt weiterläuft, sind Hunderte oder Tausende Volt erreichbar
- Deshalb ist Ausgangsregelung zwingend erforderlich
- Über die Einschaltzeit der Induktivität lässt sich die pro Schritt übertragene Energiemenge steuern
- Boost-Wandler wie MCP1642B/D werden häufig verwendet, um Geräte mit höherer Spannung aus einer einzelnen Alkalizelle zu betreiben oder für Geräte wie LCD-Hintergrundbeleuchtungen mehr als 10 V zu erzeugen
- Boost-Wandler teilen die meisten Vor- und Nachteile der Buck-Topologie
- Sie benötigen eine Induktivität
- Sie hinterlassen deutliche Hochfrequenzstörungen
- Sie können relativ einfach beträchtliche Ströme liefern
Ersatz der Dioden in realen Implementierungen
- In realen Buck- und Boost-Wandlern werden Dioden oft durch MOSFET-Schalter ersetzt, die synchron arbeiten
- Diese Änderung bewirkt keinen funktionalen Unterschied, vermeidet aber den inhärenten Spannungsabfall eines p-n-Übergangs
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
DC-DC-Wandler sind schwierig, aber interessant. Das Grundkonzept ist, dass ein großer Spannungsspitzenimpuls entsteht, wenn man kurz Strom durch eine Induktivität fließen lässt und ihn dann unterbricht; klassische Autozündanlagen funktionieren so.
Wenn man diesen Impuls über eine Diode leitet und damit einen Kondensator lädt, kann man einen Gleichstromausgang erhalten. Der Vorteil von Schaltnetzteilen ist, dass im Leistungspfad fast kein Widerstand vorhanden ist und sie deshalb effizient sind; der Nachteil ist, dass sie während eines Teils des Zyklus den Eingang praktisch kurzschließen, wodurch es bei Fehlern zu Bränden kommen kann und Einschaltstrombegrenzer oder Sicherungen nötig sein können.
Es gibt Aufwärts-, Abwärts- und transformatorbasierte Verfahren; mit einem Transformator lassen sich Ein- und Ausgang galvanisch trennen, was beim Betrieb am AC-Netz aus Sicherheitsgründen unverzichtbar ist. Etwas, das ich früher gebaut habe, war eine Schaltung, die aus einem USB-5V-DC-Eingang 120V DC erzeugte, um einen antiken Fernschreiber zu betreiben, der 60mA bei 120V DC benötigte: https://github.com/John-Nagle/ttyloopdriver/blob/master/boar...
Die Grundschaltung war einfach, aber es kamen mehrere SMD-Ferritperlen und kleine Kondensatoren hinzu, damit aus USB-Eingang, Ausgang und Hochfrequenz keine Spikes austreten, und um Spannungs- und Stromrauschen zu reduzieren, musste ich die Werte mit LTspice-Simulationen auswählen
Eine bessere Vorstellung ist: Man lässt Strom aus der Versorgung in die Induktivität fließen und speichert Energie im Magnetfeld. Stoppt man das, nimmt das Magnetfeld ab und die Energie wird wieder in Strom umgewandelt, der in die Schaltung fließt.
Entscheidend ist, dass man bei passendem Timing und passenden Parametern die Spannung des nachgeschalteten Stroms wählen kann. Die Spannung über der Induktivität hängt von der Steigung der Magnetfeldstärke um den Leitungsdraht der Induktivität ab; mit einer anderen Steigung kann man also eine andere Spannung erzeugen. Will man eine stabile Spannung, ist der Verlauf der Magnetfeldstärke ungefähr ein Sägezahn, und der Verlauf der induzierten Spannung ungefähr eine Rechteckwelle. Das ist eine vereinfachte Erklärung zum Verständnis, aber der Sägezahn erzeugt eine konstante Stromsteigung, und das führt zu einer konstanten Spannung.
Wenn der Schalter zu lange eingeschaltet bleibt und die Induktivität den Sättigungsstrom erreicht oder einer von mehreren kaskadierenden Fehlermodi eintritt, kann der Eingang faktisch kurzgeschlossen werden. Das kann auch in vielen anderen elektronischen Schaltungen passieren, etwa bei einfachen Tantal-Abblockkondensatoren oder SCR-Latch-up in ICs, aber es ist gut, solche Fehlermodi beim Entwurf einer Stromversorgungstopologie mitzudenken.
Wenn man allerdings USB als Versorgung nutzt, um von 5V auf 120V hochzusetzen, kann ich nachvollziehen, woher die Intuition mit dem „Kurzschluss“ kommt.
Über parasitäre Elemente kann es kurzzeitig zu etwas Kurzschlussähnlichem kommen, aber im Idealfall nicht.
Moderne Chips haben üblicherweise eigenes Soft-Start, aber das Problem ist, dass man Eingangskondensatoren braucht und diese beim ersten Anschließen tatsächlich wie ein Kurzschluss aussehen.
Bei kleinen Keramikkondensatoren ist das normalerweise kein großes Problem, aber die Kabelinduktivität kann zufällig einen Aufwärtswandler bilden und versuchen, dem eigentlichen Wandler Spannungsspitzen zuzuführen.
Zwischen Aufwärtswandlern und Widderpumpen gibt es eine interessante Verbindung.
Eine Widderpumpe ist eine Vorrichtung, die ohne separate Energiezufuhr die kinetische Energie eines Wasserstroms nutzt, um Flusswasser in eine höher gelegene Position zu pumpen. Die Gleichungen der beiden Geräte sind im Wesentlichen gleich, nur die Einheiten ändern sich.
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram
Ich kann die kürzlich auf OCW veröffentlichten Vorlesungen MIT 6.622 Power Electronics sehr empfehlen.
https://youtube.com/playlist?list=PLUl4u3cNGP62UTc77mJoubhDE...
https://ocw.mit.edu/courses/6-622-power-electronics-spring-2...
Professor David Perreault ist großartig. Er geht bis zu fortgeschrittenen Themen, die man nur braucht, wenn man Mehr-kW-Systeme entwirft, behandelt aber alle Grundlagen und baut das Verständnis von unten auf, sodass man versteht, was man wann sinnvoll einsetzt.
Es gibt viele Hobbyisten, etwa Audiophile oder Modellbahn-Fans, die ihre eigenen Schaltungen entwerfen und umsetzen können, also muss es sicher einen gangbaren Weg dorthin geben, aber obwohl ich Elektronik wirklich lernen wollte, habe ich sie bisher noch nicht richtig gemeistert.
Ich kenne die Grundlagen von Widerständen, Dioden, Kondensatoren und Transistoren und könnte das einfachste klassische Netzteil aus Transformator, Vollweggleichrichtung und Kondensator erklären. Einfache digitale Schaltungen wie LDO + Arduino/ESP + LED habe ich schon gebaut, und ich kenne auch ein wenig Grundlagenphysik. Löten kann ich gut.
Die Aussage „Wegen Problemen mit dem Wärmemanagement und der verkürzten Batterielebensdauer lohnt sich lineare Regelung fast nie“ sehe ich eher genau umgekehrt. Wenn sich der Artikel an Hobbyentwickler richtet, werden viele Projekte wahrscheinlich über ein 5V-USB-Ladegerät versorgt und nur einige hundert mA verbrauchen.
Ein LDO ist sehr billig, leicht zu beschaffen, hat recht ordentliche Ausgangseigenschaften und ist sehr einfach zu verwenden. Wenn man praktisch unbegrenzt 5V hat und 3,3V bei 100mA braucht, warum sollte man ihn dann nicht verwenden?
Ein Buck-Converter dagegen erfordert echte Ingenieursarbeit. Man kann nicht einfach grob irgendein IC einsetzen und erwarten, dass es beim ersten Versuch perfekt funktioniert. Entweder man verwendet ein teures vollintegriertes Modul, oder man muss einiges selbst berechnen und Bauteile beschaffen. Für Hobbyentwickler, die eine einfache einmalige PCB bauen, ist beides nicht besonders attraktiv
Selbst für Bauteile wie den ESP32, die 250mA brauchen, reicht das aus, und für ein Hobbyprojekt sind 2,40 Dollar auch in Ordnung
Billige Buck-Converter sind oft stark verrauscht, was bei Audio- oder Funkprojekten oder wenn solche Geräte in der Nähe sind ziemlich lästig sein kann
Muss man aber zum Beispiel 24V auf 3,3V herunterregeln, kann ein LDO ziemlich heiß werden, und selbst bei 100mA liegt die Verlustleistung bei über 2W. Am Ende stimmt also: „Es kommt darauf an“
Aus Sicht von Anfängern ist es extrem frustrierend, dass viele Tutorials nach dem Muster vorgehen: „Hier ist der magische Schalter oder Oszillator, der für einen Boost-Converter essenziell ist, aber wie man ihn tatsächlich implementiert, erklären wir nicht.“
Dazu kommt, dass die Schaltung auf dem Niveau der Startspannung funktionieren muss und in vielen Fällen auch noch galvanisch isoliert vom Converter sein muss. Es gibt viel zu beachten, und das ist in der Praxis alles andere als trivial.
Die übliche Antwort ist, ein IC zu finden, das bei der gewünschten Eingangsspannung arbeitet, oder die kleine Leistungsmenge für den PWM-Generator über einen linearen Regler bereitzustellen. Man sollte auch vorsichtig sein, Antworten von KI einfach zu übernehmen. Claude 3.5 Sonnet schlug vor, ein Arduino direkt an 230V anzuschließen, und selbst nach mehreren Rückfragen erzeugte es noch Schaltungen mit unsinnigen Elementen wie „antiparallelen Dioden“
Man kann nach Parametern wie Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannungsbereich und Leistung filtern sowie nach Komplexität (grob BoM-Anzahl), Größe, Kosten usw.; außerdem enthält das Design in der Regel auch ein Referenzlayout.
https://webench.ti.com/power-designer/
Ich arbeite im Bereich EMV-Prüfung für Automobile, und die Ursache dafür, dass etwas den Test nicht besteht oder andere Geräte beeinflusst, liegt fast immer bei der Spannungswandlung.
Buck-Boost-Converter sind laut, heikel, und wenn man monolithische ICs vom billigsten Anbieter verwendet, ist auch das Debugging nicht gerade einfach. Das führt zu ziemlich lästigen Diskussionen
Bei meiner jüngsten Audio-Arbeit habe ich oft gesehen, dass viele Geräte, die zum Beispiel 3,7V auf 5V hochsetzen, Rauschen in die Versorgungsschiene einspeisen, und dieses Rauschen bis zum Mikrofoneingang gelangt.
Die Batterieunterstützungsfunktion von pisource ist besonders schlimm, aber viele andere batteriebetriebene Versorgungen sind ähnlich. Nicht nur Mikrofone, sondern auch empfindliche Sensoren wie Beschleunigungsmesser sind betroffen.
Ich würde mir wünschen, dass Leute, die künftig DC-DC-Converter bauen, stärker darauf achten, die Versorgung ausreichend sauber zu halten, damit so etwas nicht passiert
Das ist grundsätzlich unvermeidlich und extrem empfindlich gegenüber dem Platinenlayout. Diese breitbandigen Frequenzanteile aktiv oder passiv vollständig herauszufiltern, ist überhaupt nicht trivial; es gibt keine allgemeingültige Lösung, sondern nur einen hochdimensionalen Trade-off-Raum.
Dass Rauschen in Analogschaltungen wichtig ist, stimmt natürlich, und wenn man will, kann man viel Geld für spezielle DC/DC-Convertermodule mit integrierten Induktivitäten ausgeben, die das Rauschen so weit wie möglich reduzieren sollen
Die 96% Effizienz eines synchronen Converters sieht auf dem Papier gut aus, aber wenn der Stromverbrauch von Single-Board-Computern weiter steigt und BLDC-Motoren mit höheren Spannungen betrieben werden können, entstehen große Wärmeprobleme, wenn man beides aus derselben Versorgung speist.
12V auf 5V 5A herunterzusetzen ergibt noch handhabbare Wärme, aber wenn die Batterieseite auf 20V oder 30V steigt, beginnt in der Umgebung wegen der Wärmeverluste bei großem Spannungsabfall alles zu schmelzen. In manchen Fällen mussten wir, obwohl die Verluste dadurch stiegen, gestufte Versorgungsschienen verwenden, um die Wärme auf mehrere Buck-Converter zu verteilen: zuerst auf 24V herunter, dann von 24V auf 12V und von 12V auf 5V. Ich würde gern hören, was eine professionelle Lösung außer riesigen Kühlkörpern wäre
Wenn ein Single-Board-Computer ohnehin schon 25W abführen muss, kann man die 2W des DC-DC-Converters auf die gleiche Weise behandeln.
https://www.meanwellusa.com/webapp/product/search.aspx?prod=...
Ab einer gewissen Leistung ist es physikalisch unmöglich, nur mit Konvektionskühlung auszukommen. Wenn man sich Audioverstärker oder typische CPU/GPU-Systeme ansieht, findet man dort Bänke aus MOSFETs, Kondensatoren und Induktivitäten. Die Anzahl der BoM-Positionen kann steigen, aber die Anforderungen an jedes einzelne Bauteil sinken.
Gefährlich ist dabei, dass die MOSFETs sorgfältig klassifiziert und gematcht werden müssen. Betreibt man sie zu nahe an ihrem Nennstrom, kann einer durchbrennen, die Last verteilt sich auf die übrigen, und wenn diese die Zusatzlast nicht verkraften, kommt es in sehr kurzer Zeit zu einer Kettenreaktion von Ausfällen. Oder wenn einer nicht offen, sondern kurzgeschlossen ausfällt, sterben die anderen ebenfalls sofort
Als freundliche Warnung für Leute, die mit Elektrotechnik nicht vertraut sind: Dieser Text ist nach dem Muster „Jetzt zeichnen Sie die Eule“ geschrieben. Ich bin mir nicht sicher, wer genau die Zielgruppe ist.
Wer den Inhalt auf diesem Niveau lesen kann, weiß wahrscheinlich ohnehin schon das meiste und möglicherweise noch mehr. Alle anderen brauchen ein Buch, und in so einem Buch ist das hier ziemlich grundlegender Stoff, sodass dort auch die hier auftauchenden Gleichungen hergeleitet werden, damit man sie verstehen kann.
Wenn im Titel „DC-DC-Spannungswandlung“ steht, erfüllt das meiner Meinung nach schon ausreichend den Zweck, sowohl Leute auszusortieren, die gar nicht wissen, was das bedeutet, als auch solche, die bereits genau wissen, wie man das macht.
Eine in der Welt der Mikrocontroller häufig verwendete Alternative ist, einfach ein paar Dioden in Reihe zu schalten. Das ist eine sehr einfache Alternative, und ich habe tatsächlich schon ein paar Mal gesehen, dass sie verwendet wird.