Neben den im Beitrag „Topologien der DC/DC Wandler“ aufgeführten Designvarianten der DC-DC Wandler prägen viele weitere Parameter deren Verhalten. Nachfolgend werden die wichtigsten aufgeführt und kurz erläutert.

Wirkungsgrad von einem DC-DC Wandler

Der Wirkungsgrad von einem DC-DC Wandler beschreibt das Verhältnis zwischen der in den Wandler gespeisten Leistung und der dem Wandler entnommenen Leistung und ist allgemein abhängig vom jeweiligen Betriebszustand. Er hat auslegungsabhängig sein Maximum zwischen ca. 30% und 60% der maximalen Ausgangsleistung. Bei sehr kleinen und sehr großen Leistungen sinkt der Wirkungsgrad. Die verantwortlichen Mechanismen sind hier unter anderem der Eigen-Energiebedarf, der den Wirkungsgrad bei kleinen Leistungen senkt, und die ohmschen Verluste, die den Wirkungsgrad bei großen Leistungen senken.

Um dem Wirkungsgradabfall bei sehr geringen Leistungen entgegenzuwirken, können DC-DC Wandler zum Beispiel im sogenannten Burstmodus betrieben werden. Hierbei folgt nach einigen Schaltzyklen eine Pause, in der die Last ausschließlich aus den Ausgangsfilterkondensatoren versorgt wird. Neben einer komplexeren Auslegung der Regelung kann dies auch zu Störgeräuschen führen. Der Wirkungsgrad zu hohen Leistungen hin kann unter anderem durch Überdimensionierung der beteiligten stromführenden Elemente wie zum Beispiel den Wicklungen von Transformator oder Speicherdrossel gesteigert werden. Je nach Auslegung, Topologie und Betriebszustand können mit den hier beschriebenen schaltend betriebenen Wandlern Wirkungsgrade bis deutlich über 95% erreicht werden.

Sekundärseitiger Ripple und Noise bei DC-DC Wandler

Um einen DC-DC Wandler sinnvoll zu spezifizieren sind Angaben über das Verhalten unabdingbar. Im Folgenden werden einige in Datenblättern oft angegebene Parameter erörtert. Jeder Gleichspannungswandler hat am Ausgang einen der Sollspannung überlagerten hochfrequenten Wechselstromanteil. Dieser ist die Folge der Ladung und Entladung der ausgangsseitigen Energiespeicher mit der Frequenz der Schaltvorgänge und wird als Ripple bezeichnet. Die Ripplespannung ist typischerweise dreiecksförmig und abhängig vom Tastverhältnis des Wandlers und der Dimensionierung des Ausgangsfilters. Je größer die Induktivität der Speicherdrossel, und je größer die Kapazität des Ausgangskondensators, desto geringer ist die Ripplespannung. Diese beiden Parameter haben aber ebenfalls großen Einfluss auf das im nächsten Abschnitt erläuterte Regelverhalten. Die Größenordnung der Ripplespannung beträgt in der Regel wenige Prozent der Ausgangsspannung.

Aber auch der Ripple wird von einer weiteren, wesentlich komplexeren Wellenform überlagert, dem sogenannten Noise. Der Noise entsteht durch die Schaltvorgänge der aktiven Elemente wie Transistoren oder Dioden im DC-DC Wandler, und hat deshalb, genau wie die Ripplespannung, als Grundfrequenz die Schaltfrequenz des Wandlers. Der Unterschied des Noises zum Ripple besteht im Inhalt an hochfrequenten Anteilen in der Wellenform, welche beim Noise sehr viel höher ist. Diese Eigenschaft führt dazu, dass die Wellenform der Noisespannung aus sehr schmalen Spitzen besteht. Die Höhe der Noise-Spannung kann beeinflusst werden durch die Auswahl der aktiven Elemente, das Schaltungsdesign, den genauen Aufbau der induktiven Bauelemente (Trafo, Speicherdrossel) sowie das Design des Ausgangsfilters.

Besonderes Augenmerk muss auf die Messung der Noise-Spannung gelegt werden, da hier leicht Messfehler passieren können. Durch die hochfrequente Natur der Schaltvorgänge in einem DC-DC Wandler und der hohen Eingangsimpedanz der gängigen Oszilloskope ist eine Kopplung durch ein elektrisches oder magnetisches Feld aus dem Wandler in den Tastkopf des zur Messung verwendeten Oszilloskops sehr leicht möglich. Diese Kopplung führt zur Anzeige von Schaltspitzen, oder Noise, auf dem Oszilloskop Bildschirm, welche aber in Wirklichkeit nicht auf der Ausgangsspannung zu finden sind. Der wichtigste Weg zur Vermeidung dieser Messfehler ist es die bei Tastköpfen typischerweise verwendete Masseklemme nicht zu nutzen, sondern die Masse über eine Feder direkt an den dafür vorgesehenen Kontakt am Tastkopf zu führen.

Ebenfalls muss das im Datenblatt des Herstellers der DC-DC Wandler beim Punkt Noise und Ripple angegebene Messfilter so genau wie möglich nachempfunden werden.

DC-DC Wandler mit primärseitigen Ripple und Noise

Genau wie auf der Ausgangsspannung, finden sich auch auf der Eingangsspannung Rückwirkungen vom Betrieb der DC-DC Wandler. Hier kann zum Beispiel der Eingangsstrom genannt werden, der auf seinem Gleichanteil immer einen Wechselstromanteil überlagert hat. Bei Buck und Buck-abgeleiteten Wandlern ist dieser im statischen Betrieb, je nach Betriebsmodus, sägezahn- bis nahezu rechteckförmig, bei Boost-Wandlern ist er dreiecksförmig. Der Eingangsfilter des Wandlers schließt den Großteil des eingangsseitigen Wechselstromes kurz, so dass dieser nicht nach außen dringt.
Der Wechselstromanteil der nach außen dringt und die Versorgung der DC-DC Wandler belastet, ruft am Innenwiderstand der Versorgung einen Spannungsfall hervor, der dann als Wechselspannungsanteil auf der Eingangsspannung gemessen werden kann. Genau wie bei Noise und Ripple auf der Ausgangsspannung, muss hier zwischen Noise und Ripple auf dem Eingangsstrom oder, in Zusammenspiel mit der Ausgangsimpedanz der Versorgung, auf der Eingangsspannung unterschieden werden.

Das Regelverhalten von einem DC-DC Wandler

Die Unterdrückung der Auswirkung von Änderungen der Eingangsspannung auf die Ausgangsspannung wird als Eingangsspannungsausregelung oder Line-Regulation bezeichnet. Die statische Lastausregelung oder Load-Regulation ist ein Maß für die Abweichung der sekundärseitigen Spannung von der Sollspannung in Abhängigkeit der Last. Angegeben wird der Wert für eine maximale Laständerung von 0% bis 100% des Nennstromes.
Ändert sich die Last sprunghaft, kommt es aufgrund der im Sekundärkreis gespeicherten Energie und der physikalisch begrenzten Regelgeschwindigkeit der DC-DC Wandler zu Spannungsunter- bzw. Spannungsüberschwinger. Dies wird dynamische Regelabweichung bzw. dynamische Regelzeit genannt und wird meistens bei einem Lastsprung von 20% auf 80% und zurück angegeben. Die hierbei interessanten Werte sind einerseits die maximale Abweichung von der Sollspannung, sowie die Zeitdauer, die der Gleichspannungswandler nach erstmaligem Auftreten der Abweichung bis hin zur Rückkehr der Spannung ins Sollfenster benötigt.

Die statische Ausregelung ist beeinflusst durch den Regler im DC-DC Wandler und kann, unabhängig von der Topologie und anderen Eigenschaften des Wandlers, extrem kleine Werte erreichen. Ausschlaggebend sind hier praktisch nur Schaltungselemente, die sich nicht innerhalb des Regelkreises des Wandlers befinden, wie zum Beispiel die Ausgangsklemmen oder Leitungen zum Verbraucher, die nicht mit externen Sense-Leitungen kompensiert werden.
Die dynamische Ausregelung dagegen ist beeinflusst durch viele Faktoren, wobei hier das Ausgangsfilter eine große Rolle spielt. Nicht zu vernachlässigen sind hier die Schaltfrequenz des Wandlers, das abzudeckende Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung sowie die genaue Topologie des Gleichspannungswandlers.

Eines der Ziele bei der Entwicklung der DC-DC Wandler ist es daher, das für die Anwendung ideale Verhältnis von tolerierbarem Noise und Ripple, Regelverhalten, Bauteilkosten und Wirkungsgrad zu finden.

Weitere Eigenschaften der DC-DC Wandler

Bei der Suche nach einem passenden Gleichspannungswandler müssen neben den oben aufgeführten Parametern noch weitere Eigenschaften beachtet werden. So beschränkt etwa die Wärmeentwicklung in den Leistungstransistoren und somit die Eigenerwärmung die erlaubten Umgebungstemperaturen. Einige DC-DC Wandler benötigen aufgrund ihrer Auslegung externe Filter, um die vorgegebenen gesetzlichen Bestimmungen der leitungsgebundene Störaussendung einzuhalten. Ist aus Kostengründen oder aufgrund fehlender Verfügbarkeit eine Parallelschaltung von mehreren Wandlern notwendig, müssen diese entsprechend ausgelegt sein. Im Zweifelsfall ist daher immer Rücksprache mit dem Hersteller zu halten.
Der technische Fortschritt bei den Leistungstransistoren ermöglicht heute Schaltfrequenzen, die vor Jahren noch undenkbar waren. Das erfordert jedoch gleichzeitig immer komplexere Layouts der DC-DC Wandler mit sehr spezifischen Eigenschaften.