Ein schaltender DC/DC-Wandler wird bereitgestellt, um die 6-V-Zwischenspannungsschiene zu ermöglichen, über die die drei LDOs versorgt werden. Dies ist eine quasi obligatorische Wahl, da jeder LDO aufgrund des hohen VIN/VOUT-Verhältnisses für die Leistungsumwandlung ungeeignet ist. Tatsächlich könnte der Wirkungsgrad eines LDO-Reglers einfach als VOUT/VIN berechnet werden, was im schlimmsten Fall (maximale VIN) zu 5,25 V / 36 V ≈ 14 % führen würde. Die restlichen 86 % der Leistungsaufnahme werden vom LDO-Gehäuse abgeführt: Ein maximaler Strom von 200 mA würde tatsächlich zu einer Verlustleistung von 36 V × 200 mA × 86 % = 6,2 W führen, die vom LDO-Gehäuse abgeleitet und jedes verhältnismäßige Gehäuse einfach und schnell sprengen würde.

Angefangen beim Eingangsfilter ist allgemein bekannt, dass leitungsgeführte EMI durch den normalen Betrieb von Schaltkreisen erzeugt werden. Große diskontinuierliche Ströme werden erzeugt, wenn sich die Leistungsschalter sehr schnell ein- und ausschalten. In einer Abwärts-Topologie liegen am Eingang des Wandlers große diskontinuierliche Ströme (hohe di/dt) vor. Die ausgewählten Werte für den Eingangsfilter sind in Abbildung 4-9 dargestellt.

Weitere Details zum Design eines EMI-Eingangsfilters finden Sie im Anwendungsbericht AN-2162 – einfacher Erfolg bei leitungsgeführter EMI von DC/DC-Wandlern (SNVA489).

Abbildung 4-9 Eingangsfilter einschließlich Verpolungsschutz

Der DC/DC-Abwärtswandler wurde für die folgenden Spezifikationen entwickelt:

• Eingangsspannung: V_IN = 17 bis 36 V, 24 V Nennspannung
• Ausgangsspannung: 6 V bei 500 mA
• Schaltfrequenz: 500kHz nominal
• Ausgangsspannungswelligkeit: Max. 25 mV_PP
• Wirkungsgrad: > 80 % bei Volllast
• Nicht isolierte Topologie

TPS54040A wurde für diesen Zweck ausgewählt: Es handelt sich um einen Abwärtswandler mit integriertem FET, 3,5 bis 42 V Eingangsspannung und 0,8 bis 39 V Ausgangsspannung bei 500 mA Ausgangsstrom. Die Frequenz kann von 100 kHz bis 2,5 MHz eingestellt oder mit einem externen Taktgeber synchronisiert werden. Der Baustein kann auch aktiviert und deaktiviert werden. Durch diese Eigenschaften passt TPS54040A sehr gut zu den oben aufgeführten Anforderungen/Spezifikationen.

Beachten Sie, dass TPS54040A pinkompatibel mit TPS5401 ist, einer kostengünstigeren Version des TPS54040A mit ähnlicher Leistung, aber weniger genauer Ausgangsspannung und aktiviertem Schwellenwert.

Beachten Sie auch, dass TPS54040A auch mit den Modellen TPS54140A, TPS54240, TPS54340 und TPS54540 pinkompatibel ist: Dies erweitert die Auswahl der Bauteile und bietet die Möglichkeit, Kosten und Leistung zu modulieren (im Falle zukünftiger System-Upgrades).

Abbildung 4-10 Schaltplan des DC/DC-Abwärtswandlers für 24 auf 6 V mit TPS54040A

Eine detaillierte Erklärung des Designprozesses finden Sie im Datenblatt zu TPS54040A oder im TI Design TIDA-00180.

In einer typischen Anwendung wird die Ausgangsspannung mithilfe eines einfachen Widerstandsteilernetzwerks eingestellt. Gleichung 12 gibt den Wert des oberen Widerstands entsprechend der Ausgangsspannung, der Referenzspannung (0,8 V für TPS54040A) und dem unteren Widerstand (R10 normalerweise auf 10 kΩ festgelegt) an.

Gleichung 12.

Mit V_OUT = 6 V und R10 = 10 kΩ ergibt sich für R7 ein Wert von 65 kΩ.

Die Toleranz der 6-V-Ausgangsspannung beträgt 6 V ± 4 %. Dies setzt Rückkopplungswiderstände mit einer Toleranz von 1 % und eine interne Bandlückentoleranz von TPS54040A von ± 2 % voraus.

Die Schaltfrequenz wird durch R8 = 237 kΩ auf 500 kHz eingestellt.

In den TPS54040A-Schaltplänen sind einige Komponenten mit nicht bestücken (DNP) gekennzeichnet. Dies ist beim Snubber-Netzwerk der Fall, das aus R4 und C11 gebildet wurde. Das Snubber-Netzwerk wird für das TPS540040A-Design nicht benötigt. Ein Snubber-Netzwerk ist eine Lösung, um das Überschwingen am Schalterknoten und das Übersteuern des MOSFET bei Bedarf zu reduzieren. Nähere Informationen zu anderen Optionen finden Sie im Anwendungshinweis Methoden zur Reduzierung von Überschwingen bei NexFET™-Hochleistungs-MOSFETs (SLPA010) zur Verwendung und Berechnung des Snubber-Netzwerks.