Synchronwandler MOSFET-Treiberschaltung

[Felix B. (feliks)]

Hallo Zusammen.

Ich möchte einen 500W Batterie-Lader bauen und benötige einen 48V -> 
40-12V Step-Down-Wandler mit großem Wirkungsgrad. Ich habe dies bereits 
mit einem einfachen Step-Down-Wandler umgesetzt, also N-Kanal + 
High-Side (Bootstap-)Schaltung und IR2125 als Treiber. Im Anhang ist die 
vewendete Schaltung, dort enthalten sind zusätzlich: eine 
Start-Up-Schaltung, eine Continous-Gate-Drive-Schaltung und Maßnahmen 
gegen negative Spannungen am VS-Pin des Drivers.

Ich möchte nun das Ganze mit einen Synchronwandler realisieren, also die 
Schottky(D11) ersetzen durch einen weiteren FET (Halbbrücke). Dafür gibt 
es ja diverse Treiber, ich dachte z.B. an den IR2184. Da ich mit 
Synchronwandlern aber keine Erfahrung habe sind ein paar Fragen 
aufgetaucht:
Besteht beim Synchron-Wandler als Akku-Lader auch das Start-Up-Problem 
wie beim einfachen Step-Up-Wandler ? Kann man es auf gleiche Weise 
beheben, also durch eine kleine Start-Up-Schaltung ?
Kann man die Schaltung aus der AN-978 von IR für die kontinuierliche 
Gateansteuerung (ICM755 als Timer) problemlos auf die 
Halbbrücken-Topologie anwenden ?
Besteht ebenfalls das Problem mit den negativen Spannungen an VS-Pin und 
kann man auch hier die beim einfachen Wandler üblichen Lösungsansätze 
verwenden ?
Ich bin der Meinung, dass man diese drei Ansätze für den Synchronwandler 
1:1 übernehmen kann, weil der Low-Side-MOSFET in diesem Fall ja nichts 
anderes als eine Diode ist, die extern geschaltet wird.
Kann mir das jemand bestätigen, der mit sowas schon Erfahrung hat ?

[Martin (Gast)]

Hi Felix!

Mit StartUp meinst du den Bootstrap Treiber?
Der einzige Stolperstein, der mir spontan einfällt, wäre die Überwachung 
des Laststrom. Bei einer Diode kommt es einfach zum Lücken des Stroms. 
Überbrückst du die Diode mit einem Mosfet kann der Laststrom die 
Richtung wechseln und du speist zurück. du musstest den mostet 
ausschalten, wenn du das nicht mochtest, da sonst der stromeffektivwert 
im teillastbereich größer wird als nötig und so der Wirkungsgrad für 
kleine Leistungen schneller gegen null geht als erwünscht...

gruß Martin

[Felix B. (feliks)]

Hallo Martin,

Danke für den Hinweis.
Kannst mir das evtl. genauer erläutern ?
Nach meinem Verständnis sind bei einem Halbbrücken-Treiber die FETs doch 
antiparallel geschaltet, dh. der untere ist immer ausgeschaltet wenn der 
obere ON ist.

Mit Start-Up meinte ich die Schaltung aus D9, R19 und D8. Das ist in der 
AN-978 erklärt. Wenn eine aktive Last am Wandler hängt, kann Der 
Bootstrap-Kondensator anfangs nicht laden, das übernimmt dann diese 
Schaltung.

[Martin (Gast)]

Den StartUp Schaltkreis kannst du dir sparen. Du kannst den 
Bootstrap-Kondensator laden, in dem du den Low-Side Mosfet einschaltest. 
Dann sinkt das Source-Potenzial des HiSide Mosfets auf GND und der 
Kondensator wird über die Bootstrap Diode von VCC geladen.

Ich versuche mal das andere Problem zu erläutern. Im "normalen" 
unidirektionalen Buck Converter kommt es im Teillastbereich zum 
lückenden Betriebsmodus. D.h. das die Induktivität die gespeicherte 
Energie in einem Schaltzyklus vollständig an die Last abgibt und der 
Strom dann Null wird. Da durch die Diode nur in einer Richtung Strom 
fließen kann, übernimmt die Diode die Spannung, und die Spannung, die 
über der Induktivität abfällt, wird Null. Wird der Mosfet eingeschaltet 
wird wieder etwas Energie in der Spule gespeichert und so weiter. Wenn 
du jetzt einen Halbbrückentreiber für die beiden Mosfets steuert und die 
beiden Schalter komplementär betreibst kommt es im Teillastbereich zu 
einem etwas anderen Verhalten. Da durch den eingeschalteten Mosfet in 
beide Richtungen Strom fließen kann übernimmt dieser keine Spannung, die 
Spannung über der Induktivität bleibt konstant und die Stromrichtung 
ändert sich- es wird Energie aus dem Ausgangskondensator entnommen und 
in der Spule gespeichert. Wenn du jetzt die Brücke umschaltest, wird die 
Energie an den Eingangskondensator abgegeben und erst anschließend 
wieder in der Induktivität gespeichert. Im schlimmsten Fall fließt also 
ein Strom in deinen Schaltern und der Spule obwohl keine Energie 
übertragen wird.

Deswegen wird meist die Spannung des LoSide Mosfets überwacht. Ändert 
diese Ihr vorzeichen, wird der Mosfet ausgeschaltet. Synchronous Buck 
Treiber bieten oft die Möglichkeit das automatisch zu erledigen. Bei 
einem Halbbrücktreiber brauchst du einen, bei dem beide Schalter 
unabhängig geschaltet werden können und musst die Richtung des Stroms 
selbst bestimmen.

Soweit verständlich?

Gruß Martin

[Felix B. (feliks)]

Danke für die gute Erklärung. Das hilft mir schonmal sehr weiter.
Ich benötige also einen "High and Lowside" Treiber (mit zwei Eingängen) 
und eine Spannungsmessung am LowSide FET oder wahlweise einen 
"Synchronous Gate" Driver, der mir diese Messung abnimmt.

Kannst Du mir von den letzteren evtl einen empfehlen, der diese Funktion 
bieten kann ?
Ich habe spontan diese beiden gefunden:
LTC4442 von Linear
LM27222 von National

Leider sind beide nicht für 48V ausgelegt. Sind die vom Prinzip her aber 
geeignet ?

Eigentlich müsste man den neg. Strom doch auch an der Last messen 
können, oder ? Das ist nämlich ohnehin vorgesehen.

[Martin (Gast)]

Ob die Messung des Lastroms ausreicht weiß ich nicht, da du noch einen 
Kondensator dazwischen hast und die Impedanz der Last nicht richtig 
kennst.

Ich kenne keinen Synchronous Buck Treiber, der für 48 V geeignet ist. 
Wahrscheinlich da kein großes Interesse dafür besteht- bei so "großen" 
Spannungen fällt ein Volt Diodenflusspannung nicht so sehr ins Gewicht 
wie z.B. bei 3,3 V. Die größte Spannung, für die ich einen Chip kenne, 
ist 24V.

Du kannst evtl. deine Schaltung unverändert lassen und die Diode nur 
durch einen Mosfet und einen IC wie z.B. den IR1167 ersetzen. Aber auch 
da musst du noch ein wenig nach ICs suchen, da für deine Schaltfrequenz 
der IC nicht unbedingt geeignet ist. Oder du baust die Funktionsweise 
diskret nach- dafür bräuchtest du dann einen LoSide Driver und einen 
Komparator für die Flussspannung.

Gruß Martin

[Felix B. (feliks)]

Also, vereinzelt gibt es schon welche, z.B. der LM5104 sieht ganz 
brauchbar aus.

Ich hab mir mal Samples bestellt und werd das bei Gelegenheit mal 
aufbauen. Eingentlich müsste die Standardbeschaltung hierfür doch 
ausreichen, oder ? (Anhang)

Der ursprüngliche Grund für die Überlegung war, die Schaltverluse so 
klein wie möglich zu halten sowie die Möglichkeit, die 48V zu 100% auf 
die Last zu schalten. Und eigentlich hast Du wohl recht, der Aufwand ist 
es am Ende wohl nicht wert, aber ich wollte die zwei Varianten bzgl. der 
Verluste mal vergleichen.

Vielen dank nochmal für Deine Hilfe.