Wie funktioniert ein Spannungswandler?

Das hier ist der Versuch, die Funktionsweise eines Spannungswandlers ohne Formeln, Schaltzeichen und abgeschlossenes Physikstudium darzustellen. Zum Schluss kommen noch ein paar Beispiele über Verluste und Wirkungsgrad, die vielleicht Übertakter interessieren.

Aber wozu braucht man die Dinger überhaupt? Klar, um Spannungen zu wandeln. Um die 12V vom Netzteil z.B. auf die 1,2V für einen Prozessor oder einen Grafikchip runterzubekommen. Die grundlegende Idee bei einem Schaltregler (was die korrekte Bezeichnung ist) ist es, die überschüssige Spannung nicht wie bei einem Vorwiderstand (wie z.B. bei LEDs) zu verheizen, sondern die Energie stückchenweise von der höheren zur niedrigeren Spannungsebene zu übertragen.

Zur Illustration mal etwas Mathe: Eine heutige CPU zieht z.B. bei 1,2V Corespannung rund 120W. Das sind aber 100A! Ein Linearregler, der wie ein variabler Vorwiderstand arbeitet, müsste jetzt 100A aus dem Netzteil ziehen und dann 10,8V von den 12V verheizen, damit 1,2V für die CPU übrig bleiben. 100A mal 10,8V sind aber 1080W! Ups, ganz schlecht für die Stromrechnung.

Als erstes gibt es eine Auflistung, was eigentlich alles dazugehört. Der Spannungswandler besteht nämlich nicht nur aus den schwarzen Klötzchen neben dem CPU-Sockel. Hier mal eine vereinfachte Darstellung:

Links oben wird die Eingangsspannung eingespeist, z.B. die 12V vom ATX-Anschluss des Mainboards oder vom PCIe-Anschluss der Grafikkarte. Diese Spannung liegt immer erst mal an einem elektronischen Schalter an, hier wird im PC-Bereich eigentlich immer ein MOSFET eingesetzt. Dann brauchen wir noch eine Spule. Die kann so aussehen wie oben dargestellt, oder auch in einem geschlossenen Ferritkern verschwinden. Das sind dann die etwas größeren, mattschwarzen Keramikklötzchen.

Am bekanntesten dürfte der Elko sein, und zwar für seine Anfälligkeit für Alterung, hier dargestellt durch den blauen Zylinder. Das untere Bauteil ist eigentlich eine Diode, also ein Bauteil, das Strom nur in eine Richtung durchlässt. Die sehen genauso aus wie die MOSFETs, und ihre Funktion wird meist auch durch einen MOSFET übernommen. Warum, dazu später. Links unten angedeutet ist die Verbindung zum Ansteuer-Schaltkreis, der die Spannungsregelung übernimmt und die Umwandlung steuert.

Die Schaltung hat zwei Zustände. Hier eine Darstellung des ersten Zustandes. Der Stromfluss folgt den grünen Pfeilen:

Damit überhaupt was hinten raus kommt, muss erst mal der MOSFET durchgesteuert werden. Das Bauteil, das dahinter gegen Masse geschaltet ist, egal ob Diode oder MOSFET, ist erst mal gesperrt. Jetzt fließt Strom durch die Spule in den Kondensator. Der Strom steigt nur langsam, da die Spule ihn begrenzt, während sie ein Magnetfeld aufbaut. Der Kondensator lädt sich jetzt auf, die Spannung am Ausgang steigt. Gleichzeitig bekommt der Verbraucher seine Betriebsspannung. Ist die gewünschte Spannung erreicht, wird der MOSFET abgeschaltet, und die Schaltung ist jetzt im zweiten Zustand:

Im Magnetfeld der Spule ist Energie gespeichert. Diese Energie schiebt weiter Strom durch die Spule, ähnlich einem Wasserstrom, der noch kurze Zeit weiter kreist, obwohl die Pumpe schon abgeschaltet ist. Hinter der Spule ist der Kondensator, der auch Energie abgeben kann, und natürlich der Verbraucher, der jede Menge Energie aufnimmt. Der Strom kann also von alleine fließen, ganz ohne Eingangsspannung, nur der Kreis muss links von der Spule geschlossen werden. Das übernimmt jetzt die Diode, die Eingangsseitig der Spule gegen Masse geschaltet ist.

Dadurch, dass keine Spannung mehr durch den oberen MOSFET kommt, aber die Spule weiter den Strom antreibt, kehrt sich die Polung um, und der Strom kann von Masse über die Spule, den Kondensator und den Verbraucher wieder zur Masse fließen. Sinkt die Spannung am Kondensator ab, wird wieder eingeschaltet und Energie nachgepumpt. Dieser Vorgang wiederholt sich ca. 30000 mal pro Sekunde, je nachdem wie die Bauteile, vor allem die Spule, dimensioniert sind.

Alle folgenden Beispiele und Rechnungen beziehen sich auf die oben beschriebene 1,2V/120W Last, z.B. durch einen Quadcoreprozessor. In der Theorie ist diese Schaltung 100% effektiv, da nichts planmäßig verheizt wird. Leider nur in der Theorie. Ein MOSFET, wie er für Schaltregler normalerweise verwendet wird, hat eingeschaltet einen Widerstand von 0,01 Ohm. Das klingt niedrig, aber bei einem durchschnittlichen Stromfluss von 10A ist das schon 0,1V Verlust oder 1W.

Da der Strom nicht gleichmäßig fließt, sondern in kurzen starken Pulsen, und der Einschaltwiderstand sich bei hohen Strömen verschlechtert, liegt der Verlust real noch höher. Noch schlimmer ist die Situation bei der Diode gegen Masse. Hier fließt fast der volle Laststrom für ca. 80% der Zeit. Eine sehr gute Diode hat einen festen Spannungsabfall von mindestens 0,3V, bei Last eher 0,5V. Hier würden also bis zu 40Watt verloren gehen. Nimmt man aber einen MOSFET, und steuert ihn aktiv an (die Diode arbeitet sozusagen von alleine), hat man zumindest bei niedrigeren Strömen geringere Verluste.

Deshalb werden bei hohen Lasten mehrere Reglerzweige gebaut, die so genannten Phasen. Jetzt kann man den Strom auf 3 oder mehr MOSFETs aufteilen. Mit den oben genannten 0,01 Ohm und einem MOSFET würden rund 65Watt verheizt. Bei 3 Phasen sind es aber “nur“ noch 21Watt (für alle) und damit deutlich weniger, als wenn man Dioden einsetzen würde. Die Verluste in den Spannungswandlern steigen übrigens mit dem Quadrat des Laststroms. Der Strombedarf einer CPU wiederum steigt mit der Spannung und dem Takt. Das erklärt dann auch, warum manchmal eine minimale Spannungserhöhung und Overclocking einen drastischen Temperaturanstieg der Corespannungswandler bewirkt.

Zum Abschluß noch eine Darstellung, wie so ein Spannungswandler/Schaltregler in der Praxis aussieht:

Realer Spannungswandler: hier auf einem Asrock-Mainboard

Die orangenen Pfeile kennzeichen die gemeinsamen Teile und Teile für die erste Phase. Die gelben und blauen Punkte kennzeichnen die Bauteile der Phasen 2 und 3.