Aufwärtswandler (Boost)

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

• 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

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.

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:

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.

3. Induktivität. Die Stromschwankung beträgt

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

Für 1 A ist genug Reserve.

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

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

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