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Vergleichen Sie bei einer positiven, nicht galvanisch getrennten Gleichspannungsversorgung die Spannung an den Eingangsklemmen des Moduls mit der benötigten Lastspannung. Liegt sie im gesamten Betriebsbereich und auch bei Volllast mit genügend Reserve darüber, passt ein Abwärtswandler (Buck). Bleibt sie darunter, wählen Sie einen Aufwärtswandler (Boost). Durchläuft sie den Sollwert und muss der Ausgang durchgehend geregelt bleiben, brauchen Sie einen nichtinvertierenden Auf-/Abwärtswandler.
Welcher Wandler passt zum Eingangsspannungsbereich?
Beispielwerte an den Modulanschlüssen, jeweils auf derselben Skala von 0 bis 12 V.
Abwärtswandler (Buck)
Eingangsgrenzen, nötige Spannungsreserve bei Volllast und Dauerausgangsstrom prüfen.
Aufwärtswandler (Boost)
Start und Dauerbetrieb unter Last bei 3,0 V prüfen.
Nichtinvertierender Auf-/Abwärtswandler
Positive Ausgangsspannung und Regelung beim Durchlaufen von 3,3 V prüfen.
Was ändert sich außer der Spannung?
Eine Last mit 5 V und 1 A nimmt 5 W auf. Ob ein Abwärtswandler oder ein Linearregler sie aus 12 V versorgt, bestimmt den Strom aus der Quelle und die Verlustwärme.
Legen Sie beim Buck die Quelle für den Eingangsstrom und das Modul für den Ausgangsstrom aus. Beim Linearregler besteht die Herausforderung darin, 7 W Wärme abzuführen.
Für eine geregelte 12-V-Quelle und eine Last von 5 V bei 1 A kommt Elecbees Abwärtswandler mit festem 5-V-Ausgang (EB0044142) infrage. Laut Produktseite beträgt der Eingangsbereich 7–26 V. Für längeren Betrieb werden höchstens 1,6 A empfohlen. Die Angabe 3 A ist ein Maximalwert. Prüfen Sie die Kühlung im Gehäuse.
Beim klassischen Buck und Boost bestimmt der Schalter, wann die Spule Energie speichert oder abgibt. Beide Schaltungen verwenden eine Diode und einen Ausgangskondensator C. Der Schalter liegt beim Buck auf der Versorgungsseite, beim Boost im Rückleiterzweig.
Abwärtswandler (Buck)
Aufwärtswandler (Boost)
So messen Sie den Eingangsspannungsbereich
Zwei Einflüsse bestimmen die Spannung am Modul: die Quellenspannung selbst und der Spannungsfall auf dem Weg dorthin. Eine Li-Ionen-Zelle mit 3,7 V Nennspannung erreicht voll geladen rund 4,2 V. Beim Entladen oder unter hoher Last sinkt die Spannung. Auch ungeregelte Netzteile können im Leerlauf deutlich über ihrem Nennwert liegen. Unter Last fällt zusätzlich Spannung an Leitungen, Steckern, Sicherungen und Batterieschutzschaltern ab.
Messen Sie nahe dem Entladeende bei maximaler Last direkt am Moduleingang. Alternativ messen Sie unter derselben Last an der Quelle und ziehen den gesamten Spannungsfall auf Hin- und Rückleitung bis zum Modul ab.
Berücksichtigen Sie diesen Verlust nur einmal. Bei einer Messung am Modulende des Kabels ist er bereits enthalten. Prüfen Sie außerdem bei voller Ladung und kleiner oder fehlender Last, ob die höchste Spannung unter der zulässigen Eingangsgrenze bleibt.
Vergleichen Sie beide Grenzen mit dem Sollwert. Ein reiner Boost kann eine zu hohe Spannung nicht absenken. Beim Buck entscheidet am unteren Ende die Spannungsdifferenz, die das konkrete Modul unter Last zur Regelung braucht.
Reichen 5,10 V am Eingang für geregelte 5 V?
Angenommen, die Last verträgt an ihren Anschlüssen 5,00 V ±5 %, also 4,75–5,25 V. Unter Volllast liegen am Modul noch 5,10 V an. Der betrachtete Buck benötigt bei diesem Strom 0,30 V Reserve, um 5,00 V zu halten.
Es fehlen 0,20 V Reserve. Damit endet die Zusage für 5,00 V, doch daraus folgt kein Ausgangswert von 4,80 V. Der Ausgang kann der Eingangsspannung folgen, bei Lastsprüngen einbrechen oder durch Unterspannung abschalten. Prüfen Sie die Herstellerangaben für Ihren Laststrom.
Sind geregelte 5,00 V erforderlich, prüfen Sie, ob geringere Leitungsverluste den Eingang über 5,30 V halten. Alternativ muss ein anderer Buck mit den verfügbaren 0,10 V auskommen. Kann die Quelle unter den Sollwert fallen, kommt ein nichtinvertierender Auf-/Abwärtswandler infrage.
Darf die Last die vollen ±5 % ausschöpfen, prüfen Sie mit der dokumentierten Ausgangskennlinie und dem Spannungsfall der Ausgangsleitung beide Grenzen, 4,75 und 5,25 V. Auch außerhalb der Regelung kann die Last innerhalb ihres zulässigen Fensters bleiben.
Wenn die Batteriespannung den Sollwert durchläuft
Eine frische Zelle liegt am Moduleingang zunächst über 3,3 V und fällt beim Entladen unter Last darunter. Für eine genaue Regelung über den gesamten Bereich muss der Wandler abwärts und aufwärts wandeln können.
Prüfen Sie bei der Bezeichnung „Buck-Boost“ zuerst die Polarität. Die klassische invertierende Schaltung mit einer Spule liefert gegenüber Masse eine negative Spannung. Für einen positiven Ausgang muss das Modul nichtinvertierend arbeiten. Prüfen Sie außerdem die durchgehende Regelung im Übergangsbereich. Dafür ist nicht zwingend eine Vier-Schalter-Schaltung nötig. Maßgeblich ist das spezifizierte Verhalten.
Reicht die Quelle bei ihrer niedrigsten Spannung für die Last?
Bei gleicher Ausgangsleistung und vergleichbarem Wirkungsgrad steigt der Eingangsstrom mit sinkender Eingangsspannung. Prüfen Sie Quelle und Modul am niedrigsten zu erwartenden Wert direkt am Eingang. Setzen Sie den Wirkungsgrad dieses Arbeitspunkts als Dezimalzahl ein und beachten Sie die übrigen Grenzwerte.
Mittlerer Eingangsstrom (A) = Ausgangsspannung (V) × Laststrom (A) ÷ [kleinste Moduleingangsspannung (V) × Wirkungsgrad]
Das Modul erhält noch 3,0 V und soll 5 V bei 1 A liefern, also 5 W. Für beide Fälle nehmen wir bei diesem Arbeitspunkt 85 % Wirkungsgrad an und rechnen mit 0,85.
Für 1 A bei 5 V
Quelle auf 1,50 A Dauerstrom begrenzt
Die Rechnung prüft die Dauerleistung der Quelle. Klären Sie zusätzlich, ob das Modul die Last bei der vorgesehenen Temperatur und Belüftung dauerhaft versorgt und das System bei der kleinsten Eingangsspannung startet.
Was bedeutet „2 A“ im Datenblatt?
Die Last zieht 1 A, die 3,0-V-Quelle liefert im Mittel rund 1,96 A. Der Spulenstrom steigt und fällt in jedem Schaltzyklus. Der Schalter sieht daher einen höheren Spitzenstrom. Erst Parametername und Prüfbedingungen zeigen, welchen Strom die Angabe „2 A“ bezeichnet.
Vergleichen Sie zwei beispielhafte Angebote für diese Last.
- Modul A nennt nur „2 A“ in der Überschrift. Fragen Sie nach dem Dauerausgangsstrom bei 3,0 V Eingang und 5 V Ausgang sowie der Kühlung. Ohne diese Angaben bleibt die Eignung offen.
- Modul B enthält Kennlinien. Lesen Sie auf der Ausgangsstromkurve für 5 V bei 3,0 V Eingang den Strom ab und vergleichen Sie ihn mit 1 A. Ermitteln Sie mit dem Wirkungsgrad an diesem Punkt den Quellenstrom. Prüfen Sie, ob die Kurve typische oder garantierte Werte zeigt und ob die Testkühlung Ihrem Gehäuse entspricht.
Prüfen Sie die Mindestspannung zum Start unter Last, die zulässige Stromspitze der Quelle und den Spannungseinbruch am Moduleingang beim Einschalten. Ein Modul, das an einer fast leeren Batterie weiterläuft, kann beim Neustart scheitern. Startmessungen von TI
Beim TPS61022 gibt TI die Talstromgrenze des Schalters für 3,6 V Eingang und 5 V Ausgang an. Der Talwert bezeichnet den niedrigsten Spulenstrom innerhalb eines Schaltzyklus.
| Minimum | Typisch | Maximum |
|---|---|---|
| 6,5 A | 8 A | 10 A |
Für einen anderen Arbeitspunkt, 1,8 V Eingang und 5 V Ausgang, schätzt TI mit dem Mindestwert von 6,5 A, der Spulenstromwelligkeit und 87 % Wirkungsgrad einen Ausgangsstrom von 2,12 A. Die typischen 8 A und die berechneten 2,12 A beschreiben verschiedene Ströme. Rechenbeispiel von TI
Wo messen, wenn die batteriebetriebene Last neu startet?
Vergleichen Sie die Spannungen beim selben Lastwechsel. Messen Sie an der Quelle, am Moduleingang und bei einer Ausgangsleitung sowohl am Modulausgang als auch direkt an der Last.
Quellenspannung und Moduleingang vergleichen
Bricht die Spannung bereits an der Quelle beim Einschalten stark ein, prüfen Sie Ladezustand, Dauerstromfähigkeit und tatsächliche Stromaufnahme der Last.
Bleibt die Quelle stabil, während die Spannung am Eingang einbricht, prüfen Sie Hin- und Rückleiter, Steckverbinder, Schalter und Sicherungshalter.
Liegt der Spannungsfall am Modul oder am Ausgangskabel?
Sinkt beim Buck die Ausgangsspannung, sobald der Eingang dem Sollwert nahekommt, fehlt möglicherweise die Spannungsreserve. Auch Überlast oder thermische Begrenzung kommen infrage.
Hält der Modulausgang die Spannung, die Last aber nicht, prüfen Sie Ausgangskabel und Kontakte. Bricht die Spannung bereits am Modulausgang ein, obwohl der Eingang im zulässigen Bereich liegt, prüfen Sie Strom- und Temperaturgrenzen sowie den Laststrom.
Neustart beim Einschalten oder nach dem Warmlaufen?
Ein Multimeter mittelt und kann kurze Einbrüche je nach Abtastung übersehen. Tritt der Neustart beim Einschalten oder bei einem Lastsprung trotz unauffälliger Anzeige auf, nutzen Sie eine schnelle Min/Max-Erfassung oder ein Oszilloskop, um Einbrüche am Ein- oder Ausgang zu erkennen.
Startet das System kalt einwandfrei, prüfen Sie bei einem späteren Ausfall zwei Ursachen: Die entladene Batterie senkt die Eingangsspannung und erhöht bei gleicher Leistung den Eingangsstrom, oder das Modul erreicht seine thermische Grenze. Erfassen Sie Eingangsspannung und Modultemperatur beim Neustart.
Vergleichen Sie den gemessenen Eingangsbereich, die Sollspannung und den ungünstigsten Strombedarf mit den Daten geeigneter DC/DC-Wandler.
