Schaltregler-ICs

Ein Ladegerät für das Smartphone, das aus 20 V eines USB-C-Netzteils 4 V für den Akku macht, ein Mikrocontroller-Board an 24 V aus dem Schaltschrank, eine LED-Taschenlampe, die aus einer einzelnen Zelle 9 V erzeugt: Hinter all dem stecken Schaltregler. Sie wandeln eine Gleichspannung in eine andere um – herab, herauf oder sogar ins Negative – und verlieren dabei nur 5 bis 15 % der Leistung. Ein Linearregler würde in denselben Fällen einen Großteil verheizen oder könnte die Aufgabe gar nicht lösen. Dieser Artikel erklärt, wie die ICs dafür arbeiten, wie du die äußeren Bauteile auslegst und welche Fehler am häufigsten passieren.

Das Prinzip: schalten statt verheizen

Ein Schaltregler enthält einen Transistor, der als Schalter arbeitet: ganz ein oder ganz aus. In beiden Zuständen entsteht in ihm wenig Wärme – im eingeschalteten Zustand fließt Strom, aber es fällt kaum Spannung ab, im ausgeschalteten liegt Spannung an, aber es fließt kein Strom. Die Energie wird in jedem Takt in einer Spule zwischengespeichert und dann an den Ausgang abgegeben. Ein Kondensator glättet das Ergebnis. Wie eine Spule Energie speichert und warum ihr Strom nicht springen kann, erklärt Spule im Gleichstromkreis.

Der Regler steuert das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit, den Tastgrad D. Ein Fehlerverstärker vergleicht – wie beim Linearregler – die geteilte Ausgangsspannung mit einer Referenz und stellt den Tastgrad nach. Die Schaltfrequenz liegt bei heutigen ICs zwischen etwa 150 kHz und mehreren Megahertz. Je höher sie ist, desto kleiner dürfen Spule und Kondensatoren sein, desto größer werden aber die Schaltverluste.

Die wichtigsten Wandlerarten

• Abwärtswandler (Buck, Tiefsetzsteller): Ausgangsspannung kleiner als Eingangsspannung. Im Idealfall gilt U_A = D · U_E.
• Aufwärtswandler (Boost, Hochsetzsteller): Ausgangsspannung größer als Eingangsspannung, U_A = U_E / (1 − D).
• Buck-Boost und SEPIC: Die Ausgangsspannung darf über oder unter der Eingangsspannung liegen – nützlich bei einem Akku, dessen Spannung um den Sollwert herum schwankt.
• Invertierender Wandler: erzeugt eine negative Spannung, etwa −5 V für einen Operationsverstärker.
• Sperrwandler (Flyback): mit Übertrager statt Spule, liefert galvanisch getrennte Ausgänge. Er steckt in fast jedem Steckernetzteil.

Aufbau eines Abwärtswandlers

Beim Buck-Wandler liegen Schalter, Spule und Last in Reihe. Ist der Schalter geschlossen, liegt an der Spule die Differenz U_E − U_A; ihr Strom steigt linear an, und sie nimmt Energie auf. Öffnet der Schalter, will der Spulenstrom weiterfließen. Er sucht sich den Weg über die Freilaufdiode (eine Schottky-Diode) oder einen zweiten Transistor; nun liegt an der Spule −U_A, und ihr Strom sinkt wieder. Der Ausgangskondensator mittelt die dreieckförmigen Stromschwankungen weg.

Ersetzt ein zweiter MOSFET die Diode, spricht man von einem synchronen Wandler. Der MOSFET hat statt etwa 0,4–0,5 V Diodenspannung nur einen kleinen Durchlasswiderstand; bei niedrigen Ausgangsspannungen steigt der Wirkungsgrad dadurch spürbar. Die meisten modernen ICs bis etwa 5 A arbeiten synchron und enthalten beide Transistoren (siehe MOSFET).

Schaltzeichen und Anschlüsse

Ein Schaltregler-IC erscheint im Schaltplan als Kasten. Die Pins heißen fast immer gleich:

Die Ausgangsspannung legst du wie beim LM317 über einen Spannungsteiler fest: U_A = U_FB · (1 + R_oben / R_unten).

Wichtige Kennwerte

• Eingangsspannungsbereich: häufig 4,5–17 V, 4,5–36 V oder bis 60 V für Industrie und Fahrzeuge.
• Ausgangsstrom und Strombegrenzung: Der Spitzenstrom im Schalter ist höher als der Laststrom.
• Schaltfrequenz: beeinflusst Größe der Spule, Wirkungsgrad und Störspektrum.
• Wirkungsgrad: hängt stark vom Arbeitspunkt ab. Der klassische LM2596 (150 kHz, 3 A, nicht synchron) erreicht laut Datenblatt bei 12 V auf 5 V und 3 A etwa 80 %, bei 25 V auf 12 V etwa 90 %; moderne synchrone ICs liegen oft über 90 %.
• Ruhestrom und Leichtlastbetrieb: Viele ICs wechseln bei kleiner Last in einen Pulsbetrieb (PFM), damit der Wirkungsgrad auch bei Milliampere-Lasten hoch bleibt – auf Kosten einer etwas größeren Restwelligkeit.

Spule und Kondensator auslegen

Für einen Abwärtswandler im nichtlückenden Betrieb (der Spulenstrom fällt nie auf null) gelten diese Näherungen:

Üblich ist, die Stromwelligkeit ΔI_L auf 20–40 % des Laststroms auszulegen.

Rechne deinen Wandler mit dem Rechner durch – er kann auch Aufwärtswandler:

Bauformen

Ältere Regler wie der LM2596 stecken im fünfbeinigen TO-220 oder TO-263 und arbeiten mit großen Spulen. Moderne ICs sind winzig: SOT-23-6 für 1–2 A, QFN mit Kühlpad für mehr Strom. Dazu gibt es Module, in denen IC, Spule und Kondensatoren auf einer kleinen Platine oder sogar in einem Gehäuse vereint sind – bis hin zu pinkompatiblen Ersatzmodulen für den 7805. Für eigene Platinen ist ein IC mit Datenblatt-Layout meist günstiger, für Einzelstücke ein Modul einfacher.

Layout und Störungen

Ein Schaltregler schaltet Ströme von einigen Ampere in wenigen Nanosekunden. Jeder Zentimeter Leiterbahn im falschen Pfad wird dabei zur Antenne und zur Störquelle. Wichtig sind:

• Der heiße Strompfad: Beim Buck ist das die Schleife aus Eingangskondensator, Schalter und Diode bzw. unterem MOSFET. Hier springt der Strom bei jedem Schalten. Diese Schleife muss so klein wie möglich sein; der Eingangskondensator gehört direkt an VIN und GND.
• Der Schaltknoten SW: führt eine rechteckige Spannung mit steilen Flanken. Halte die Fläche klein und führe keine empfindlichen Leitungen darunter oder daneben.
• Die Rückführung FB: hochohmig und empfindlich. Spannungsteiler direkt ans IC, die Leitung abseits von Spule und SW-Knoten.
• Masse: eine durchgehende Massefläche auf der Lage darunter.

Was hinter Abstrahlung und Störfestigkeit steckt, erklärt EMV. Halte dich beim ersten Entwurf eng an das Layoutbeispiel aus dem Datenblatt.

Auswahl und Praxistipps

Ein Schaltregler lohnt sich, sobald ein Linearregler mehr als etwa ein Watt verheizen würde, im Batteriebetrieb und immer, wenn du die Spannung erhöhen musst. Für rauscharme Analog- und Funkschaltungen kann ein LDO hinter dem Schaltregler die Reste des Schaltrauschens wegfiltern.

Häufige Fehler:

• Spule nach Induktivität statt nach Strom gewählt: Ein 15-µH-Drosselchen aus der Signaltechnik geht beim Spitzenstrom in Sättigung, die Induktivität bricht ein, der Strom schießt hoch.
• Falsche Diode: Eine langsame 1N4007 statt einer Schottky-Diode wird heiß und kostet Wirkungsgrad.
• Eingangskondensator zu weit weg: Der Regler stört, schwingt oder setzt bei Lastspitzen aus.
• Keramikkondensatoren mit Nennkapazität gerechnet: Unter Gleichspannung verlieren X5R- und X7R-MLCCs viel Kapazität; die Welligkeit wird größer als berechnet.
• Mindestlast und Tastgrad-Grenzen übersehen: Sehr kleine Tastgrade (etwa 48 V auf 1 V) erreichen viele ICs nicht – die minimale Einschaltzeit begrenzt.

Selbsttest