Abwärtswandler

Im nichtlückenden Betrieb (englisch Continuous Current Mode (CCM), kontinuierlicher Betrieb) hört der Strom durch die Spule während des gesamten Zyklus niemals auf zu fließen; der Schalter wird bereits erneut geschlossen, ehe die gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist. Im Gegensatz dazu steht der lückende Betrieb (englisch Discontinuous Current Mode (DCM), Lückbetrieb), bei dem der Strom durch die Spule regelmäßig während jedes Zyklus auf Null absinkt. Hierbei kann der Zyklus zeitlich in eine dritte Phase eingeteilt werden: Zu den auch im nichtlückenden Betrieb auftretenden Phasen der Energiespeicherung (bei geschlossenem Schalter) und der Energiefreisetzung kommt die Lück-Phase ohne Strom durch die Spule, in der die angeschlossene Last ausschließlich aus dem Kondensator C versorgt wird.

Ob ein kontinuierlicher oder ein lückender Betrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Ausgangsspannung und dem fließenden Ausgangsstrom ab. Da sich diese Parameter teilweise rasch ändern können, muss im Allgemeinen bei der Auslegung der Schaltung, insbesondere eines Reglers, der Übergang zwischen den beiden Betriebsarten berücksichtigt (z. B. verhindert) werden. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich hinsichtlich der Steuerkennlinie, also der Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastgrad (s. u.), sowie in Bezug auf die Störausstrahlung.

In nebenstehender Grafik sind die Spannungs- und Stromverläufe des Abwärtswandlers während etwa eineinhalb Perioden aufgezeigt; es wird der eingeschwungene Zustand dargestellt. Der Strom in der Spule ${\displaystyle i_{L}}$ pendelt immer um den Mittelwert ${\displaystyle I_{L,av}}$ (rote Linie, Laststrom) und sinkt nie auf Null ab. Der Kondensator C sei so groß, dass die Ausgangsspannung (grüne Linie) über den betrachteten Zeitraum der Periodendauer als konstant betrachtet werden kann.

Der Spulenstrom beträgt allgemein:

${\displaystyle i_{L}={\frac {1}{L}}\int u_{L}\,\mathrm {d} t+I_{0}}$

Während der Einschaltphase wird der magnetische Speicher (die Spule) geladen. Der Strom ${\displaystyle i_{L}}$ steigt linear an.

Die Spulenspannung ist während der Einschaltzeit die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung:

${\displaystyle u_{L}=U_{\mathrm {E} }-U_{\mathrm {A} }}$

und ist näherungsweise konstant, die Diode sperrt.
In der darauffolgenden Ausschaltzeit liegt die Ausgangsspannung an der Spule an:

${\displaystyle u_{L}=-U_{\mathrm {A} }}$

Das obige Integral ist nun negativ und der Spulenstrom nimmt linear ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

Der Gleichstromanteil des Spulenstromes wird auch Biasstrom[2] genannt und darf den Kern der Spule nicht sättigen, weshalb jener einen Luftspalt hat. Der Gleichstromanteil ist die Integrationskonstante ${\displaystyle I_{0}}$ im obigen Integral.

Der Wechselstromanteil in der Spule und auch am Eingang wird Rippelstrom genannt.

Anhand der Grafik ist gut erkennbar, dass der nichtlückende Betrieb bei sinkendem Laststrom nicht aufrechterhalten werden kann, da der Spulenstrom aufgrund der Diode nicht negativ werden kann.

Die Spannung am Knotenpunkt von Schalter S, Diode D und Spule L weist beim Betrieb steile Spannungssprünge auf. Beim Lückbetrieb tritt darüber hinaus eine Phase auf, bei der Schalter S und Diode D gleichzeitig sperren (nicht leiten). Hierdurch kann ein aus der Spule und den parasitären Kapazitäten von Schalter S und Diode D gebildeter Schwingkreis zu einer gedämpften Schwingung angeregt werden, die zusätzliche Störausstrahlung verursachen und auch die Bauteile beanspruchen kann. Dieser Knotenpunkt soll daher im Leiterplatten-Layout besonders kurz sein.

Stellt man die Gleichungen nach dem Tastgrad ${\displaystyle d}$ um, so erhält man die Steuerkennlinie:

${\displaystyle d={\frac {U_{A}}{U_{E}}}}$.

Die Ausgangsspannung steigt also an, wenn die Einschaltzeit ${\displaystyle T_{e}}$ größer wird (bei gleichbleibender Periodendauer ${\displaystyle T}$).

Bleiben die Verluste der Schaltung unberücksichtigt, ergibt sich folgende Leistungsgleichung:

${\displaystyle P_{\mathrm {E} }=U_{\mathrm {E} }\cdot I_{\mathrm {E} }=P_{\mathrm {A} }=U_{\mathrm {A} }\cdot I_{\mathrm {A} }}$

Der reale Abwärtswandler hat seine wesentlichen Verluste in folgenden Bauteilen:

• Spule – sie hat ohmsche Verluste durch ihren Wicklungswiderstand sowie magnetische Verluste im Kernmaterial.
• Schalttransistor – er hat einen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand sowie Schaltverluste (er schaltet in einer endlichen Zeit).
• Freilaufdiode – sie hat eine typische Flussspannung von 0,4–1 V sowie Schaltverluste.

Um die Verluste in der Diode zu verringern, kann man an ihrer Stelle einen gesteuerten MOSFET einsetzen. Man erhält dann eine Synchrongleichrichtung, der Spulenstrom und der Ausgangsstrom können nun negativ werden – die Energieflussrichtung kann sich umkehren.