Was ist Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)?

DC-DC-Wandler, der mit Schalter, Diode (oder einem zweiten Schalter), Spule und Kondensator eine Gleichspannung unterhalb der Eingangsspannung erzeugt. Der Ausgang wird über den Anteil D der Einschaltzeit des Schalters (Tastverhältnis) eingestellt, und die ideale Ausgangsspannung im nichtlückenden Betrieb ist D × Eingangsspannung. Er ist der am weitesten verbreitete nicht isolierte Wandler, etwa für die Kernversorgung von CPUs und SoCs oder zur Erzeugung verschiedener Spannungen aus 12 V oder 5 V.

Japanische Bezeichnung: 降圧チョッパ(バックコンバータ)

„Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)“ kommt in 10 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Schaltungen der Leistungselektronik, Leistungshalbleiter.

Fachgebiet: Schaltungen der Leistungselektronik

Funktionsweise und Spannungsübersetzung

Bei eingeschaltetem Schalter liegt an der Spule (Vin − Vout), und der Strom steigt; bei ausgeschaltetem Schalter liegt über die Diode (Freilaufdiode) −Vout an, und der Strom sinkt. Im stationären Zustand gleichen sich diese beiden Spannungs-Zeit-Flächen aus, sodass aus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) folgt: Vout = D × Vin. Zum Beispiel erhält man aus 12 V mit D = 0,25 eine Spannung von 3 V.

Auswahl von Spule und Kondensator

Die Welligkeit des Spulenstroms ist ΔI = (Vin − Vout) × D/(L × f); als Faustregel wählt man L so, dass sie etwa 20 bis 40 % des Ausgangsstroms beträgt. Wird der Ausgangsstrom kleiner als ΔI/2, sinkt der Strom bis auf null, und der Wandler geht in den lückenden Betrieb über. Die Welligkeit der Ausgangsspannung ist bei einem idealen Kondensator ΔI/(8fC); in der Praxis kommt ΔI × ESR durch den ESR hinzu.

Verluste und hoher Wirkungsgrad

Die wichtigsten Verluste sind die Durchlassverluste von Schalter und Diode, die Schaltverluste sowie Wicklungs- und Kernverluste der Spule. Bei niedriger Ausgangsspannung ist der Anteil der Durchlassspannung der Diode groß, weshalb standardmäßig die Synchrongleichrichtung eingesetzt wird, bei der die Diode durch einen MOSFET ersetzt ist. Bei großen Übersetzungen wie von 12 V auf 1 V wird das Tastverhältnis mit etwa 8 % klein, und bei 1 MHz beträgt die Einschaltzeit nur etwa 83 ns, was hohe Anforderungen an Regelung und Schaltgeschwindigkeit stellt.

Jetzt üben: Fragen zu Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)

Wie groß ist die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers (Buck-Konverter) bei 12 V Eingangsspannung und einem Tastverhältnis des Schalters von 0,25?

A3 V
B9 V
C48 V

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Antwort: A. 3 V

Die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers ist „Eingangsspannung × Tastverhältnis“, also 12 V × 0,25 = 3 V. Der Ausgang wird über den Anteil der Einschaltzeit des Schalters eingestellt und von Spule und Kondensator zu glatter Gleichspannung gemittelt. Mit Synchrongleichrichtung, bei der MOSFETs statt Dioden verwendet werden, übersteigt der Wirkungsgrad 90 %. Die niedrigen Versorgungsspannungen von CPU und Speicher werden auf dem Mainboard von mehrphasigen Tiefsetzstellern erzeugt.

Welche Aussage über den Weg des Spulenstroms in einem Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) ist richtig, solange der Schalter ausgeschaltet ist?

AEr fließt weiter von der Eingangsquelle über den Schalter in die Spule
BEr fließt als Freilaufstrom über die Diode weiter von der Spule zum Ausgang
CDer Spulenstrom wird im Moment des Ausschaltens null und fließt nirgendwohin

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Antwort: B. Er fließt als Freilaufstrom über die Diode weiter von der Spule zum Ausgang

Im Tiefsetzsteller fließt bei eingeschaltetem Schalter Strom vom Eingang über die Spule zum Ausgang, und in der Spule wird Energie gespeichert. Wird der Schalter ausgeschaltet, sucht die Spule den Strom aufrechtzuerhalten; die Diode (Freilaufdiode) wird leitend, und der Strom fließt von Masse über Diode und Spule zum Ausgang. Der Strom auf der Ausgangsseite reißt deshalb nicht ab, und die Welligkeit am Ausgang lässt sich klein halten. Ersetzt man diese Diode durch einen MOSFET, spricht man von Synchrongleichrichtung.

Häufige Fragen

Warum wird die Ausgangsspannung eines Tiefsetzstellers nicht höher als die Eingangsspannung?

Das Tastverhältnis D liegt zwischen 0 und 1, daher übersteigt die ideale Ausgangsspannung D × Vin die Eingangsspannung nicht. Man kann den Ausgang als Mittelwert der zerhackten Eingangsspannung auffassen. Wird eine höhere Spannung als die Eingangsspannung benötigt, verwendet man einen Hochsetzsteller oder einen Hoch-Tiefsetzsteller.

Warum steigt die Ausgangsspannung bei gleichem Tastverhältnis, wenn die Last gering ist?

Ein Tiefsetzsteller mit Freilaufdiode geht bei geringer Last in den lückenden Betrieb über. Solange der Spulenstrom null ist, ist die Spannung am Schaltknoten gleich der Ausgangsspannung, wodurch deren Mittelwert steigt und die Ausgangsspannung über D × Vin liegt. In realen Netzteilen senkt die Feedback-Regelung das Tastverhältnis und hält den Ausgang konstant.

„Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)“ in den Erläuterungen

Die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers ist „Eingangsspannung × Tastverhältnis“, also 12 V × 0,25 = 3 V.
Wie groß ist die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzste…
Im Tiefsetzsteller fließt bei eingeschaltetem Schalter Strom vom Eingang über die Spule zum Ausgang, und in der Spule wird Energie gespeichert.
Welche Aussage über den Weg des Spulenstroms in einem Tiefs…
Beim Tiefsetzsteller liegt im eingeschalteten Zustand (Vin − Vout) und im ausgeschalteten Zustand −Vout an, und aus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) folgt Vout = D × Vin.
Welche Begründung für die ideale Ausgangsspannung Vout = D …
Bei einem Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung kann der Spulenstrom auch in negativer Richtung fließen, sodass er auch bei geringer Last im nichtlückenden Betrieb weiterarbeiten kann.
Bei einem idealen Tiefsetzsteller (Freilauf über eine Diode…
Die 3 V aus D × Vin entsprechen der Formel des Tiefsetzstellers.
Welche Ausgangsspannung ergibt sich im nichtlückenden Betri…