Praxis-Tipp PCB-Design: Schaltregler ganz einfach mit TI Webench
Bei Hardware-Entwicklung und da beim Teilschritt Leiterplatten-Entflechtung (PCB Design) brauchen wir manchmal Schaltregler. Ein Schaltregler (auch Schaltmodus-Stromversorgungsregler oder Switching Regulator genannt) ist eine elektronische Schaltung, die eine Eingangsspannung effizient in eine gewünschte Ausgangsspannung umwandelt, indem sie periodisch ein- und ausschaltet. Dadurch wird elektrische Energie mit hoher Effizienz geregelt, im Gegensatz zu linearen Spannungsreglern, die überschüssige Energie als Wärme abführen.
Das Auslegen von Schaltreglern kann selbst mit Datenblatt und Designvorschlägen relativ aufwändig sein. Vor allen wenn man krumme Spannungen generieren muss und die zugrundeliegende Mathematik einem über den Kopf wächst. Heute zeigen wir, wie Du mit TI webench Power Designer einfache Schaltregler-Designs auslegst. Egal, ob Du Anfänger oder Profi bist, wird Dir dieses Tool die Arbeit enorm erleichtern. Mit seiner intuitiven Benutzeroberfläche und den leistungsstarken Funktionen kannst Du schnell und einfach maßgeschneiderte Schaltregler-Designs erstellen.
Als erstes lade Dir das TI Webench Tool herunter und installiere die Software.
Für unser Beispiel wollen wir für eine Hardware, die mit einem LiPo-Akku versorgt wird, einen Regler auslegen, der uns für das eingesetzte Rechenmodul stabile 3,3V generiert mit 2A Maximalleistung. Das Problem dabei: ein LiPo-Akku hat vollgeladen ca. 4,2V, aber leer nur ca. 3V.
Nun könnte man ja einen Linearregler nutzen. Der wandelt aber bei vollem Akku und 2A Last ca. 1,8W Deiner kostbaren Akkuladung in Hitze um und mit 0,2V Dropoutspannung wäre bei 3,5V Akkuspannung auch Schluss mit den stabilen 3,3V für Deine Hardware. Solange Du also keinen Taschenwärmer bauen möchtest, macht ein Schaltregler hier mehr Sinn. So ein Schaltregler kann über den kompletten Entladezyklus mit bis zu 90% Effizienz arbeiten, indem er die Eingangsspannung zunächst zerhackt und dann wieder aus Deiner Ausgangsspannung zusammenfügt und das Ganze noch (halbwegs) glattzieht.
Das wäre dann ein Step-Down- oder Buck-Regler. Wenn Du aber Deinen Akku wirklich nutzen willst, bis er leer ist, brauchst Du einen Step-Up- oder Boost-Regler. Dieser nutzt eine Spule und ein bisschen Magie, um mit den Schaltvorgängen an einer Spule die induzierte höhere Spannung zu nutzen, um Dir auch mehr als seine Eingangsspannung auszugeben. Wie schön, dass auch beides gleichzeitig geht, das nennt sich dann Buck-Boost-Regler. Da wir also eine Gleichspannung (DC) vom Akku in eine Gleichspannung für die Hardware wandeln wollen, wähle auf der TI Webench Power-Designer-Startseite DC/DC-Power-Designs aus und klicke auf ➜ START DESIGN.
Hier kannst Du nun Deine benötigten Werte vorgeben. Für unser Beispiel wählen wir eine DC-Input-Spannung von min. Vin von 3V und max. Vin von 5V, eine Output-Spannung von Vout von 3,3V und einen max. Strom Iout von 2A aus. Die weiteren Felder und „Advanced“-Optionen ignorieren wir erstmal. Klicke noch den ➜ I agree - Button an und dann auf ➜ VIEW DESIGNS. (Wenn Du mehr erfahren willst, bietet TI hier ein umfassendes Trainingsvideo an.)
Nach einigen Sekunden Bedenkzeit spuckt Dir der Power-Designer auch schon die Ergebnisse aus. In meinem Fall waren das 36. Nun kannst Du noch filtern und überlegen, was Dir wichtig ist. Brauchst Du zum Beispiel die Möglichkeit, Deine Spannung später noch über den Feedback-Spannungsteiler anzupassen, oder nimmst Du einen Regler mit fester Ausgangsspannung und sparst Dir die zusätzlichen Bauteile? Soll das ganze möglichst effizient sein für eine lange Akkulaufzeit oder musst Du Platz sparen für Dein miniaturisiertes Design?
Für unser Beispiel schauen wir uns Direkt mal das erste Ergebnis näher an:
Das sieht soweit schon gut aus: ein Buck-Boost-Regler mit fester Ausgangsspannung und 4A Strom. Achte darauf, dass auch die restlichen Komponenten, vor allem die Spule, diesen Strom locker aushalten. Hier solltest Du nochmal gut und gerne 30% Reserve drauflegen.
Wenn Du das Design nun öffnest, kannst Du Dir auch Direkt die verwendeten Bauteile ausgeben lassen:
Nun kannst Du in der folgenden Übersicht bei Deinem favorisierten EDA-Tool auf Export drücken, und Dir sämtliche Design-Daten inklusive Beispiel-Layout herunterladen. Dafür musst Du einen kostenlosen TI-Account erstellen.
Wenn Du diese Vorgaben umsetzt, sparst Du Dir viel Ärger bei der späteren Inbetriebnahme, wenn sich sonst häufig die Frage stellt, warum schaltet denn mein Schaltregler nicht?