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Aufwärtswandler (Boost)

5 V mit 1 A aus einer Li-Ion-Zelle: Aufwärtswandler mit TPS61023, Spule, Kondensatoren und Teiler nach den Datenblattformeln ausgelegt – mit Strombilanz der Zelle.

7 Min. LesezeitBoost-WandlerAufwärtswandlerStep-Up-WandlerHochsetzsteller

Eine Li-Ion-Zelle liefert zwischen 4,2 V (voll) und 3,0 V (leer). Ein USB-Gerät, ein 5-V-Servo oder ein Mikrocontroller-Board mit 5-V-Peripherie braucht aber stabile 5 V. Mehr Spannung, als die Quelle hergibt, kann kein Linearregler liefern. Das schafft nur ein Aufwärtswandler, englisch Boost Converter: Er lädt eine Spule aus der Zelle auf und entlädt sie dann in Reihe mit der Zelle in den Ausgang. So entsteht jede Powerbank, jede LED-Taschenlampe mit einer Zelle und der 12-V-Ausgang manches USB-Netzteils.

Die IC-Grundlagen stehen unter Schaltregler-ICs und Speicherdrossel. Hier baust du einen Wandler mit dem TPS61023 auf, einem synchronen Boost-IC, der ab 0,5 V Eingangsspannung arbeitet und außer Spule, Kondensatoren und Teiler nichts braucht.

Schaltplan

Aufwärtswandler mit TPS61023: Li-Ion-Zelle 3,0 bis 4,2 V mit C1 10 µF; L1 2,2 µH von der Zelle an SW (Pin 5); VIN (Pin 3) und EN (Pin 2) an der Zelle; VOUT (Pin 6) mit C2 2 × 22 µF als Ausgang 5 V bis 1 A; Teiler R1 732 kΩ und R2 100 kΩ vom Ausgang nach Masse, Mittelpunkt an FB (Pin 1); GND (Pin 4) an Masse
Der Leistungspfad führt von der Zelle über L1 und den internen Gleichrichter-FET zum Ausgang. EN an VIN: Der Wandler läuft, sobald die Zelle angeschlossen ist.
  • IC1, TPS61023: synchroner Aufwärtswandler mit internem Schalt- und Gleichrichter-FET, 1 MHz, Talstrom-Grenze typisch 3,7 A, Ausgang bis 5,5 V. Gehäuse SOT-563 mit sechs Pins.
  • L1, 2,2 µH: Speicherdrossel mit mindestens 3 A Sättigungsstrom und wenigen Milliohm Kupferwiderstand.
  • C1, 10 µF: Keramik am Eingang, so nah wie möglich an VIN und GND.
  • C2, 2 × 22 µF, 10 V: Keramik X5R oder X7R am Ausgang, siehe MLCC.
  • R1, R2: Spannungsteiler für die Rückführung. Am FB-Pin liegen im Betrieb 0,595 V.

So funktioniert die Schaltung

In der ersten Phase schließt der untere Schalter im IC den Pin SW nach Masse. An der Spule liegt die volle Zellenspannung, ihr Strom steigt linear an, und sie speichert Energie im Magnetfeld (siehe Spule an Gleichspannung). Den Ausgang versorgt in dieser Zeit allein C2.

In der zweiten Phase öffnet der untere Schalter, und der obere verbindet SW mit VOUT. Die Spule treibt ihren Strom weiter, wie es die Induktion verlangt; ihre Spannung kehrt sich um und addiert sich zur Zellenspannung. Der Strom fließt nun in den Ausgang und lädt C2 nach. Weil am Ausgang mehr Spannung liegt als an der Zelle, sinkt der Spulenstrom dabei wieder. Ohne Verluste gilt

UA = UE1 − D

mit dem Tastgrad D, dem Anteil der ersten Phase. Bei D = 0,5 verdoppelt sich die Spannung. Ein wichtiger Unterschied zum Abwärtswandler (Buck): Der Ausgang bekommt nur in der zweiten Phase Strom, die Spule führt immer mehr Strom als die Last. Bei kleiner Zellenspannung wird dieser Unterschied groß.

Drosselstrom bei 3,0 V Zellenspannung: Dreieck zwischen 1,54 und 2,17 A um 1,85 A bei Tastgrad 0,46; bei 4,2 V zwischen 1,09 und 1,56 A um 1,32 A bei Tastgrad 0,24; Talstrom-Grenze 2,7 A darüber
Für 1 A am Ausgang muss die Spule bei fast leerer Zelle im Mittel 1,85 A führen. Bis zur Strombegrenzung bleibt Abstand.

Dimensionierung

Gegeben: Eingang 3,0 V bis 4,2 V, Ausgang 5 V, 1 A. Das Datenblatt rechnet mit einem Wirkungsgrad η = 0,9 und verlangt den ungünstigsten Fall: kleinste Eingangsspannung, größter Laststrom.

1. Ausgangsspannung. Mit R2 = 100 kΩ:

R1 = (UAUREF − 1) · R2 = (5 V0,595 V − 1) · 100 kΩ ≈ 740 kΩ

Aus der E96-Reihe passt 732 kΩ; der Ausgang liegt dann bei 0,595 V · (1 + 7,32) ≈ 4,95 V. Durch den Teiler fließen nur 6 µA.

2. Tastgrad und Spulenstrom bei 3,0 V.

D = 1 − UE · ηUA = 1 − 3,0 V · 0,95 V = 0,46 IL,DC = UA · IAUE · η = 5 V · 1 A3,0 V · 0,9 ≈ 1,85 A

3. Induktivität. Die Stromschwankung beträgt

ΔIL = UE · DL · f

Das Datenblatt erlaubt 0,37 bis 2,9 µH und rät zu weniger als 40 % Schwankung. Mit 1 µH wären es bei 3,0 V 3,0 V · 0,46 / (1 µH · 1 MHz) ≈ 1,38 A, also 75 %. Mit 2,2 µH sind es 0,63 A oder 34 %. Der Spitzenstrom wird 1,85 A + 0,31 A ≈ 2,17 A. Die Spule braucht mindestens 3 A Sättigungsstrom, weil ihre Induktivität bis zu 30 % kleiner sein darf.

4. Reicht die Strombegrenzung? Der TPS61023 begrenzt den Strom im Tal der Dreieckskurve, garantiert ab 2,7 A. Der größte Ausgangsstrom bei 3,0 V ist damit

IA,max = (1 − D) · (ILIM + ΔIL2) = 0,54 · (2,7 A + 0,31 A) ≈ 1,6 A

Für 1 A ist genug Reserve.

Rechner

Schaltregler (Buck und Boost)

Tastgrad D
46,3 %
Mindest-Induktivität
9,72 µH
Spule nach E6
10 µH
Rippelstrom ΔIL damit
583 mA
Spitzenstrom Spule und Schalter
2,29 A
Effektivstrom der Spule
2,01 A
Kondensator C ≥
2,92 µF
ESR des Kondensators ≤
85,7 mΩ
Eingangsstrom (Mittel)
926 mA
Lückt unterhalb von Iaus =
292 mA
Uein = 12 VUaus = 5 VSD1 /Sync-FETL = 10 µHiLC ≥2,92 µFLast2 ASeineinein0T2 T3 TiL02 A2,29 AΔIL583 mAZeit t, Periode T = 1/f = 2 µs – gestrichelt: Mittelwert

D = Uaus / (Uein · η); L = Uaus · (Uein − Uaus) / (ΔIL · fS · Uein); Î = Iaus + ΔIL/2; C ≥ ΔIL / (8 · fS · ΔUaus); ESR ≤ ΔUaus / ΔIL. Nach TI SLVA477. Nicht lückender Betrieb (CCM), Rippelstrom bezogen auf den mittleren Spulenstrom, ohne Spannungsabfälle an Schalter und Diode. C und ESR teilen sich die Rippelspannung nicht: Jeder Wert allein erzeugt schon ΔUaus, plane deshalb Reserve ein. Keramikkondensatoren verlieren unter Gleichspannung deutlich an Kapazität. Wie viel Wärme der Schalter abgibt, rechnest du mit dem MOSFET-Rechner nach.

5. Ausgangskondensator. Bei einem Keramikkondensator ohne nennenswerten ESR gilt für die Welligkeit:

CA ≥ IA · Dmaxf · ΔU = 1 A · 0,461 MHz · 50 mV ≈ 9,2 µF

Ein 22-µF-Kondensator mit 10 V Nennspannung verliert bei 5 V Gleichspannung leicht die Hälfte seiner Kapazität. Zwei davon ergeben etwa 22 µF wirksam, die Welligkeit liegt bei rund 20 mV.

Bauteilliste

BezeichnerWert/TypHinweis
IC1TPS61023DRLRSOT-563, Pinfolge 1 FB, 2 EN, 3 VIN, 4 GND, 5 SW, 6 VOUT
L12,2 µH, I_sat ≥ 3 Ageschirmt, DCR ≤ 30 mΩ, etwa 4 × 4 mm
C110 µF, 10 VX5R/X7R, 0805
C22 × 22 µF, 10 VX5R/X7R, 0805 oder 1206
R1732 kΩ, 1 %E96
R2100 kΩ, 1 %E96

Varianten

Höhere Spannungen mit dem MT3608. Für 9, 12 oder 24 V aus 5 V nimmst du einen nicht synchronen Wandler wie den MT3608 (bis 28 V, 1,2 MHz, Referenz 0,6 V) mit externer Schottky-Diode SS34 und 22 µH. Für 12 V passt der Teiler 39 kΩ / 2 kΩ: 0,6 V · (1 + 39 / 2) = 12,3 V. Bei 0,3 A Last führt die Spule aus 5 V schon 12 V · 0,3 A / (5 V · 0,9) ≈ 0,8 A.

Abschaltbar. Statt EN fest an VIN zu legen, steuerst du ihn mit einem Mikrocontroller-Pin oder mit einem Unterspannungswächter. Der TPS61023 trennt im abgeschalteten Zustand Ein- und Ausgang vollständig. Einfache Wandler wie der MT3608 können das nicht: Bei ihnen liegt über Spule und Diode immer die Eingangsspannung abzüglich 0,4 V am Ausgang.

Laden und Entladen. Zusammen mit der Ladeschaltung für Li-Ion-Zellen und einem Batterie-Backup mit Power-Path entsteht eine Powerbank oder eine unterbrechungsfreie 5-V-Versorgung.

Negative Spannung. Für eine kleine negative Hilfsspannung ist die Ladungspumpe einfacher als ein invertierender Schaltwandler.

Typische Fehler

  • Zelle wird tiefentladen: Der TPS61023 arbeitet bis 0,5 V hinunter und schützt die Zelle nicht. Ohne Schutzschaltung oder Unterspannungsabschaltung saugt er sie unter 2,5 V leer und schädigt sie.
  • Ausgang bricht bei Last auf die Zellenspannung ein: Spule sättigt oder Strombegrenzung erreicht. Spule mit größerem Sättigungsstrom nehmen; bei schwacher Zelle den Innenwiderstand der Zelle prüfen.
  • Pfeifen oder unruhiger Ausgang bei kleiner Last: Das ist der Energiesparmodus mit Pulspaketen, kein Defekt. Bei sehr großen Ausgangskondensatoren hilft der Vorhaltekondensator parallel zu R1, den das Datenblatt beschreibt.
  • Ausgangsspannung zu hoch oder IC tot: Teiler vertauscht oder FB offen. Der TPS61023 schaltet ab 5,7 V ab; ein MT3608 ohne Rückführung treibt die Spannung so hoch, dass Kondensatoren und IC sterben.
  • Masseprobleme: Die Stromschleife aus C2, VOUT und GND muss sehr kurz sein; bei 1 MHz stören schon wenige Millimeter Umweg.

Selbsttest

Welcher Tastgrad ergibt sich ideal für 3,6 V auf 5 V?

D = 1 − 3,6 V / 5 V = 0,28; mit 90 % Wirkungsgrad gerechnet 0,35.

Warum führt die Spule mehr Strom als die Last?

Sie gibt nur während der zweiten Phase Strom an den Ausgang ab; im Mittel muss sie deshalb den Laststrom geteilt durch (1 − D) führen.

Wie groß wird der Spulenstrom bei 3,0 V, wenn die Last 1,5 A zieht?

5 V · 1,5 A / (3,0 V · 0,9) ≈ 2,78 A im Mittel, in der Spitze 3,09 A. Das Tal liegt mit 2,47 A knapp unter der Strombegrenzung von 2,7 A, und eine 3-A-Spule wäre bereits zu klein.

Welche Ausgangsspannung ergibt ein Teiler mit 680 kΩ und 100 kΩ?

0,595 V · (1 + 6,8) ≈ 4,64 V.

Warum genügt nicht ein einzelner 22-µF-Kondensator am Ausgang?

Bei 5 V Gleichspannung bleibt von einem kleinen 10-V-Keramikkondensator nur etwa die Hälfte der Kapazität übrig; das reicht knapp für die geforderte Welligkeit und lässt keine Reserve für Lastsprünge.