Ein Hocheffizienter Step-Up Regler

zum Beispiel zum Betrieb eines Notebooks an einem Bleiakku

Üblicherweise werden heutige Notebooks mit ca. 20 V versorgt. Manche Hersteller geben zwar 19 V an oder 18,5 V, aber das wohl soll nur den Absatz der eigenen Netzteile steigern. Tatsächlich funktionieren all diese Geräte auch mit 20 V. Achtung: Es gibt natürlich auch Geräte die nur mit 12 V oder 15 V betrieben werden möchten. Für diese ist diese Schaltung ohne Veränderung möglicherweise tödlich. Passt man den Spannungsteiler aus R10 und R9 an lassen sich auch andere Ausgangsspannungen erzielen.

Wer sich schonmal mal überlegt hat, statt Netzteil einen externen Akku zu verwenden, wird sich die Frage gestellt haben, wie komme ich auf 20V? Eine Möglichkeit wäre es, einen Akku mit mehr als 20 V zu verwenden und dann auf 20 V runter zu regeln. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass es eine Vielzahl an Spannungsregler gibt, die hierfür geeignet sind. Man könnte sogar einen einfachen LM317 nehmen. Oder aber man verwendet eine niedrigere Spannung und regelt hoch. Das erfordert zwar unbedingt einen Schaltregler aber dafür kommt man mit weniger Akkus aus. Zwei oder drei Li Zellen reichen aus.

Wenn man den Schaltstrom eines einfachen Step-Up Reglers für 20 V bei 2 A betrachtet wird man feststellen, dass bei 12 V Eingangsspannung beachtliche Ströme zu schalten wären und eine mechanisch große Induktivität erforderlich ist.
Dieses "Problem" kann man umgehen, indem man einen Multi-Phase Schaltregler aufbaut. Ähnlich wird es auch bei Schaltreglern auf PC Mainboards gemacht. (Nur das es da Step-Down Regler sind).

Wie funktioniert so ein Multi-Phase Regler

Prinzipiell kann man so einen Regler als Parallelschaltung mehrerer Schaltregler sehen. Trotzdem sollte man nie auf die Idee kommen einfach zwei Schaltrgeler parallel zu schalten. Das mag zwar im ein oder anderen Fall gut gehen, wird es aber auf Dauer nicht.

Dieses Bild zeigt den kompletten Schaltplan des Reglers. Klar zu erkennen sind als Kern der Schaltung die beiden Step-Up Regler. Q1, L1, D1 bilden einen und Q2, L2, D2 den anderen. Der Widerstand R1 bzw. R2 dient nur der Strommessung und hat keinen Einfluss auf den eigentlichen Schaltregler.
Warum können die beidne Regler hier überhaupt parallel geschaltet werden? Der Trick bei Multi-Phase Systemen ist, dass die einzelnen Regler Phasenverschoben arbeiten. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Regler eine Phasenverschiebung von 180°. Das heißt, wenn der erste FET durchschaltet ist der zweite offen und umgekehrt. Bei vier Phasen hat man entsprechend eine Phasenverschiebung von 90°. So lässt sich der Laststrom gleichmäßig auf alle Phasen verteilen.

Diese beiden Bilder zeigen meinen Testaufbau. Zwecks einfacher Modifizierbarkeit ohne Lötstopp. Auf der Oberseite und auf der Unterseite je ein Schaltregler.