Dimensionierung C Welligkeit

Beispiel

Schaltregler Simulation

• Pulsweite
• Beispiel: Ue = 12 V, Ua = 6 V, Ia = 100 mA, f = 250 kHz
  L = 180 µH, RL = 60 Ω, C2 = 10 µF
  Rechnung Ges: D, Welligkeit dUa
  Simulation: Wirkungsgrad η

In welchem Betriebsmodus ist man? DCM oder CCM?

$I_{amin} = \frac{T}{2 L} U_a \left( 1 - \frac{U_a}{U_e} \right)$
$I_{amin} = \frac{4 \mu s}{2 \cdot 180 \mu H} 6 V \left( 1 - \frac{6 V}{12 V} \right) = 33 mA$
Betriebsmodus CCM
$D = \frac{U_a}{U_e} = 0.5$

$d U_a = \frac{T I_{a min}}{4 C} = \frac{4 \mu s 33 mA}{4 \cdot 10 \mu F} = 3.3 mV$
Simulation V(vout)max - V(vout)min: dvout = 6.149 - 6.145 = 4 mV

Simulation Wirkungsgrad η
$\eta = \frac{P_a}{P_e} = \frac{U_a \cdot I_a}{U_e \cdot I_e} = \frac{6.147 V \cdot 102.45 mA}{12 V \cdot 56.471 mA} = 92.9 \%$

Da die Eingangsspannung doppelt so gross ist wie die Ausgangsspannung ist der Eingangsstrom etwa halb so gross wie der Ausgangsstrom.

Eine Messung soll die Simulation bestätigen. Für die Eingangsspannung wird VP+ gewählt, da dort Ströme bis zu 1.5 A zur Verfügung stehen. AWG1 steuert den Transistor an.


In VP+ = 5 V (90 mA), Cin = 15 uF, IRF9530, C = 47 uF, Diode, RL = 9 Ω ( URL = 1.65 V / IRL = 180 mA), f = 50 kHz, L = 207 uH, LR = 4 Ω

V_{out_Ripple} = 80 mV
n_eff = P_out/P_in= (1.65 V * 180 mA) / (5 V * 90 mA) = 66%
P_in = 5 V * 90 mA = 450 mW
P_out = 1.65 V * 180 mA = 300 mW
Die Leistung am Serienwiderstand der Spule:
P_RL = 4 Ω * 180 mA * 180 mA = 130 mW
Die Leistung am MOSFET:
(P_PFET = 1/4 * 100 mV * 90 mA = 22 mW)
MOSFET und Serienwiderstand derSpule bestimmen den relativ schlechten Wirkungsgrad.


C1: 50 kHz Puls 0 V..6 V Transistoransteuerung
C2: VP+ Spannungsversorgung
C3: Ausgangsspannung am Transistor
C4: Ausgangsspannung am 9 Ohm Lastwdiderstand
M4: Strom am Lastwiderstand

Schaltregler

Version 4
SHEET 1 1508 908
WIRE -240 -144 -304 -144
WIRE -128 -144 -160 -144
WIRE -32 -144 -128 -144
WIRE 32 -144 -32 -144
WIRE 128 -144 32 -144
WIRE 208 -144 128 -144
WIRE 288 -144 208 -144
WIRE -304 -128 -304 -144
WIRE -304 -112 -304 -128
WIRE -128 -112 -128 -144
WIRE 128 -112 128 -144
WIRE 208 -112 208 -144
WIRE 288 -112 288 -144
WIRE 32 -48 32 -144
WIRE 48 -48 32 -48
WIRE 432 -48 368 -48
WIRE 480 -48 432 -48
WIRE 592 -48 544 -48
WIRE 432 -32 432 -48
WIRE -304 -16 -304 -32
WIRE -128 -16 -128 -48
WIRE 32 48 32 -48
WIRE 48 48 32 48
WIRE 432 48 432 32
WIRE 432 48 368 48
WIRE 480 48 432 48
WIRE 592 48 592 -48
WIRE 592 48 560 48
WIRE 688 48 592 48
WIRE 720 48 688 48
WIRE 800 48 720 48
WIRE 976 48 800 48
WIRE 432 64 432 48
WIRE 720 64 720 48
WIRE 800 64 800 48
WIRE 592 80 592 48
WIRE -32 144 -32 -144
WIRE 32 144 32 48
WIRE 48 144 32 144
WIRE 400 144 368 144
WIRE 432 144 432 128
WIRE 720 160 720 128
WIRE 800 160 800 144
WIRE 400 176 400 144
WIRE 592 176 592 160
WIRE 592 176 400 176
WIRE 592 192 592 176
WIRE -416 240 -480 240
WIRE -288 240 -416 240
WIRE -208 240 -288 240
WIRE -128 240 -208 240
WIRE -32 240 -32 224
WIRE -32 240 -64 240
WIRE 48 240 -32 240
WIRE 400 240 368 240
WIRE 480 240 464 240
WIRE -416 256 -416 240
WIRE -288 256 -288 240
WIRE -208 256 -208 240
WIRE 592 288 592 272
WIRE 48 336 -16 336
WIRE 400 336 368 336
WIRE 480 336 464 336
WIRE -416 352 -416 336
WIRE -288 352 -288 320
WIRE -208 352 -208 336
WIRE -16 352 -16 336
WIRE -16 352 -208 352
WIRE -208 368 -208 352
WIRE 688 384 688 48
WIRE -48 432 -64 432
WIRE 48 432 16 432
WIRE 624 432 368 432
WIRE -208 464 -208 448
WIRE 688 496 688 480
WIRE 800 496 688 496
WIRE 880 496 800 496
WIRE 976 496 880 496
WIRE 688 512 688 496
WIRE 800 512 800 496
WIRE 880 512 880 496
WIRE -48 528 -64 528
WIRE 48 528 16 528
WIRE 560 528 368 528
WIRE 160 608 160 592
WIRE 256 608 256 592
WIRE 560 608 560 528
WIRE 688 608 688 592
WIRE 688 608 560 608
WIRE 800 608 800 576
WIRE 880 608 880 592
WIRE 688 624 688 608
WIRE 160 704 160 688
WIRE 688 720 688 704
FLAG -304 -16 0
FLAG -208 464 0
FLAG -416 352 0
FLAG -288 352 0
FLAG -64 432 0
FLAG -64 528 0
FLAG 256 608 0
FLAG 160 704 0
FLAG -416 240 OUT1
FLAG -304 -128 IN
FLAG 432 144 0
FLAG 592 288 0
FLAG 480 240 0
FLAG 480 336 0
FLAG 800 160 0
FLAG 720 160 0
FLAG 800 48 OUT2
FLAG 688 720 0
FLAG 880 608 0
FLAG 800 608 0
FLAG 880 496 OUT3
FLAG -128 -16 0
SYMBOL voltage -304 -128 R0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 5
SYMBOL ind -48 128 R0
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 6.8�
SYMBOL schottky -64 224 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1N5817
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL res -224 240 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 143K
SYMBOL res -224 352 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 10K
SYMBOL cap -304 256 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 16 416 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value .001�
SYMBOL cap 16 512 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
WINDOW 39 60 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value .001�
SYMATTR SpiceLine Rser=22K
SYMBOL res 144 592 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 15.8K
SYMBOL schottky 544 -64 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 34 10 VTop 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value CMDSH2-3
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL schottky 416 128 M180
WINDOW 0 26 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D3
SYMATTR Value B520C
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL ind 464 64 R270
WINDOW 0 32 56 VTop 2
WINDOW 3 5 56 VBottom 2
SYMATTR InstName L2
SYMATTR Value 3.3�
SYMBOL cap 416 -32 R0
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value .1�
SYMBOL res 576 64 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 32.4K
SYMBOL res 576 176 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 10.2K
SYMBOL cap 400 224 M90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C5
SYMATTR Value .001�
SYMBOL cap 400 320 M90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
WINDOW 39 60 32 VTop 2
SYMATTR InstName C6
SYMATTR Value .001�
SYMATTR SpiceLine Rser=22K
SYMBOL cap 704 64 R0
SYMATTR InstName C7
SYMATTR Value 22�
SYMBOL npn 624 384 R0
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value 2N3391A
SYMBOL res 672 496 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 22.1k
SYMBOL res 672 608 R0
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 10.2K
SYMBOL cap 784 512 R0
SYMATTR InstName C8
SYMATTR Value 2.2�
SYMBOL res -432 240 R0
SYMATTR InstName Rload1
SYMATTR Value 30
SYMBOL res 784 48 R0
SYMATTR InstName Rload2
SYMATTR Value 3.3
SYMBOL res 864 496 R0
SYMATTR InstName Rload3
SYMATTR Value 25
SYMBOL PowerProducts\\LT3570 208 240 R0
SYMATTR InstName U2
SYMBOL res -144 -160 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R8
SYMATTR Value 0.1
SYMBOL cap -144 -112 R0
SYMATTR InstName C9
SYMATTR Value 1�
TEXT 848 704 Left 2 !.tran 500u startup
TEXT 216 -184 Bottom 2 ;LT3570, 1.5A Buck, 1.5A Boost and LDO DC/DC Converter\nInput: 5V       Outputs: 3.3V @ 1A, 12V @ 400mA, 2.5V @ 100mA
TEXT -352 736 Left 2 ;Note:\n  If the simulation model is not found please update with the "Sync Release" command from the "Tools" menu.\n  It remains the customer's responsibility to verify proper and reliable operation in the actual application.\n  Component substitution and printed circuit board layout may significantly affect circuit performance or reliability.\n  Contact your local sales representative for assistance. This circuit is distributed to customers only for use with LTC parts.\n  Copyright � 2009 Linear Technology Inc. All rights reserved.

Datenblatt und LTSPICE Modell: LT3570
Das Datenblatt gibt Informationen zur Einstellung der Ausgangsspannungen und Auswahl der Induktivitäten, Kapazitäten und Dioden.
Regler: Buck, Boost, LDO
Evaluation Board DC1106A 170.- (2023)

Ladungspumpe, Pelliconi Charge pump,

MOS Transistor als Schalter: X1, X2, X3, X4 Ladungsspeicher C1, C2 Start: Alle Knoten 0 V. Phase(1): Phi1 high (VDD), Phi2 low M1:off, M9:on M2:on, M8:off In is charging C2: VDD Out is connected to C1: VDD Phase(2): Phi1 low, Phi2 high (VDD) M1:on, M9:off M2:off, M8:on In is charging C1: VDD Out is connected to C2: 2 VDD C1,C2: 10 uF C3: 1 uF

Charge.asc Version 4 SHEET 1 2324 680 WIRE 1072 16 1072 0 WIRE 1008 32 944 32 WIRE 944 48 944 32 WIRE 1264 64 1184 64 WIRE 960 96 928 96 WIRE 1008 96 1008 32 WIRE 1072 96 1072 80 WIRE 1072 96 1056 96 WIRE 1136 96 1072 96 WIRE 1184 96 1184 64 WIRE 1264 96 1264 64 WIRE 1264 96 1232 96 WIRE 1040 160 1040 144 WIRE 1104 160 1040 160 WIRE 1216 160 1216 144 WIRE 1216 160 1104 160 WIRE 928 176 928 96 WIRE 928 176 896 176 WIRE 1264 176 1264 96 WIRE 1312 176 1264 176 WIRE 1392 176 1312 176 WIRE 1008 208 976 208 WIRE 1072 208 1072 96 WIRE 1072 208 1008 208 WIRE 1152 208 1072 208 WIRE 1312 208 1312 176 WIRE 1408 208 1312 208 WIRE 976 224 976 208 WIRE 1152 224 1152 208 WIRE 1408 224 1408 208 WIRE 928 272 928 176 WIRE 960 272 928 272 WIRE 1104 272 1104 160 WIRE 1104 272 1056 272 WIRE 1136 272 1104 272 WIRE 1264 272 1264 176 WIRE 1264 272 1232 272 WIRE 1104 304 1104 272 WIRE 1312 304 1312 288 WIRE 1408 304 1408 288 WIRE 1408 304 1312 304 WIRE 1184 320 1184 272 WIRE 1264 320 1264 272 WIRE 1264 320 1184 320 WIRE 1312 320 1312 304 WIRE 1008 336 1008 272 WIRE 1104 400 1104 368 FLAG 1008 336 0 FLAG 944 48 0 FLAG 896 176 In IOPIN 896 176 In FLAG 1392 176 Out IOPIN 1392 176 Out FLAG 1072 0 Phi1 IOPIN 1072 0 In FLAG 1104 400 Phi2 IOPIN 1104 400 In FLAG 1312 320 0 FLAG 1104 160 G2 FLAG 1008 208 G1 SYMBOL nmos4 1056 224 R90 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M2 SYMBOL nmos4 960 144 R270 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M1 SYMBOL pmos4 1232 224 R90 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M8 SYMBOL pmos4 1136 144 R270 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M9 SYMBOL cap 1056 16 R0 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 10� SYMBOL cap 1088 304 R0 SYMATTR InstName C2 SYMATTR Value 10� SYMBOL res 1296 192 R0 SYMATTR InstName R1 SYMATTR Value 10k SYMBOL cap 1392 224 R0 SYMATTR InstName C3 SYMATTR Value 1� TEXT 856 -112 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=-1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n) TEXT 1264 -32 Left 2 !VIN IN 0 2\nV1 Phi1 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 900u 2000u)\n \nV2 Phi2 0 PULSE(0 5 1000u 100u 100u 900u 2000u) TEXT 1320 344 Left 2 !.tran 0 60m 0m

Version 4
SHEET 1 2324 680
WIRE 1072 16 1072 0
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WIRE 960 96 928 96
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WIRE 1072 96 1072 80
WIRE 1072 96 1056 96
WIRE 1136 96 1072 96
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WIRE 1216 160 1104 160
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WIRE 928 176 896 176
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WIRE 1392 192 1392 176
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WIRE 1072 208 1008 208
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WIRE 1136 272 1104 272
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WIRE 1264 272 1232 272
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WIRE 784 304 784 288
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WIRE 688 320 688 304
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WIRE 1264 320 1184 320
WIRE 928 336 928 272
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WIRE 1008 336 928 336
WIRE 1104 400 1104 368
FLAG 896 176 Out
IOPIN 896 176 Out
FLAG 1072 0 Phi1
IOPIN 1072 0 In
FLAG 1104 400 Phi2
IOPIN 1104 400 In
FLAG 688 320 0
FLAG 1104 160 G2
FLAG 1008 208 G1
FLAG 1392 192 0
SYMBOL nmos4 1056 224 R90
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M2
SYMBOL nmos4 960 144 R270
WINDOW 3 83 72 Left 2
SYMATTR Value CD4007N
SYMATTR InstName M1
SYMBOL pmos4 1232 224 R90
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M8
SYMBOL pmos4 1136 144 R270
WINDOW 3 56 73 Left 2
SYMATTR Value CD4007P
SYMATTR InstName M9
SYMBOL cap 1056 16 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 10�
SYMBOL cap 1088 304 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 10�
SYMBOL res 672 192 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 100k
SYMBOL cap 768 224 R0
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1�
TEXT 672 -136 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=-1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)
TEXT 680 480 Left 2 !VIN IN 0 5\nV1 Phi1 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 900u 2000u)\n\nV2 Phi2 0 PULSE(0 5 1000u 100u 100u 900u 2000u)
TEXT 696 344 Left 2 !.tran 0 60m 0m

Mehrere Stufen

Es dauert einige Zeit bis die Ausgangsspannung erreicht ist. Ausgangsspannungsschwankungen

Charge3.asc Version 4 SHEET 1 2776 680 WIRE 1008 32 944 32 WIRE 1584 32 1520 32 WIRE 2144 32 2080 32 WIRE 944 48 944 32 WIRE 1520 48 1520 32 WIRE 2080 48 2080 32 WIRE 1264 64 1184 64 WIRE 1840 64 1760 64 WIRE 2400 64 2320 64 WIRE 960 96 928 96 WIRE 1008 96 1008 32 WIRE 1072 96 1072 80 WIRE 1072 96 1056 96 WIRE 1136 96 1072 96 WIRE 1184 96 1184 64 WIRE 1264 96 1264 64 WIRE 1264 96 1232 96 WIRE 1536 96 1504 96 WIRE 1584 96 1584 32 WIRE 1648 96 1648 80 WIRE 1648 96 1632 96 WIRE 1712 96 1648 96 WIRE 1760 96 1760 64 WIRE 1840 96 1840 64 WIRE 1840 96 1808 96 WIRE 2096 96 2064 96 WIRE 2144 96 2144 32 WIRE 2208 96 2208 80 WIRE 2208 96 2192 96 WIRE 2272 96 2208 96 WIRE 2320 96 2320 64 WIRE 2400 96 2400 64 WIRE 2400 96 2368 96 WIRE 1040 160 1040 144 WIRE 1104 160 1040 160 WIRE 1216 160 1216 144 WIRE 1216 160 1104 160 WIRE 1616 160 1616 144 WIRE 1680 160 1616 160 WIRE 1792 160 1792 144 WIRE 1792 160 1680 160 WIRE 2176 160 2176 144 WIRE 2240 160 2176 160 WIRE 2352 160 2352 144 WIRE 2352 160 2240 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cap 1392 224 R0 SYMATTR InstName C3 SYMATTR Value 1� SYMBOL nmos4 1632 224 R90 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M3 SYMBOL nmos4 1536 144 R270 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M4 SYMBOL pmos4 1808 224 R90 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M5 SYMBOL pmos4 1712 144 R270 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M6 SYMBOL cap 1632 16 R0 SYMATTR InstName C4 SYMATTR Value 10� SYMBOL cap 1664 304 R0 SYMATTR InstName C5 SYMATTR Value 10� SYMBOL res 1872 192 R0 SYMATTR InstName R2 SYMATTR Value 100k SYMBOL cap 1968 224 R0 SYMATTR InstName C6 SYMATTR Value 1� SYMBOL nmos4 2192 224 R90 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M7 SYMBOL nmos4 2096 144 R270 WINDOW 3 83 72 Left 2 SYMATTR Value CD4007N SYMATTR InstName M10 SYMBOL pmos4 2368 224 R90 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M11 SYMBOL pmos4 2272 144 R270 WINDOW 3 56 73 Left 2 SYMATTR Value CD4007P SYMATTR InstName M12 SYMBOL cap 2192 16 R0 SYMATTR InstName C7 SYMATTR Value 10� SYMBOL cap 2224 304 R0 SYMATTR InstName C8 SYMATTR Value 10� SYMBOL res 2432 192 R0 SYMATTR InstName R3 SYMATTR Value 100k SYMBOL cap 2528 224 R0 SYMATTR InstName C9 SYMATTR Value 1� TEXT 856 -112 Left 2 !.model CD4007N NMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)\n.model CD4007P PMOS(LEVEL=1 KP=1123u VT0=-1.48 LAMBDA=0.018 CGDO=400n) TEXT 856 432 Left 2 !VIN IN 0 5\nV1 Phi1 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 900u 2000u)\n\nV2 Phi2 0 PULSE(0 5 1000u 100u 100u 900u 2000u) TEXT 1320 344 Left 2 !.tran 0 250m 0

Praktische Realisierung

Ladungspumpe Spannungsverdopplung

C = 470 nF, f = 1kHz, VDD = 4 V.
Bei der Ladungspumpe wird die Spannung ohne Last von 4 V auf 8 V verdoppelt.
Mit einer Last von 68kΩ reduziert sich die Spannung.

Takterzeugung: Ringoszillator

Vout [V]	2	3	4	5	6
f [kHz]	227	2100	4500	6800	8900

Je höher die Spanung, desto größer die Frequenz.

Beispiel einer Integrierten Schaltung: LM27762EVM

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

• Buck Converter Schaltbild und Funktionsweise
• Dutycycle und Ausgangsspannung
• Continous conduction mode (CCM)
• Discontinous conduction mode (DCM)
  Niedriger Ausgangsstrom
• Dimensionierung von L
  Ausgangsspannung, Strom, Frequenz
• Dimensionierung von C
  Welligkeit

• 12 Uebung 1