Smartpower-IC für nichtisolierende Off-Line-Stromversorgungen

VIPower

Thema des vorliegenden Beitrags ist ein vollintegrierter AC/DC-Wandler auf der Basis der von STMicroelectronics entwickelten Smartpower-Technologie VIPower M1.

Der Baustein VB409 wird direkt an die gleichgerichtete Netzspannung angeschlossen und liefert eine Ausgangsspannung von +5 V ±5 % mit einem auf 70 mA begrenzten Ausgangsstrom. Der Chip arbeitet nach dem Prinzip des definierten Leitwinkels und erzielt damit gegenüber herkömmlichen Hochspannungs-Linearreglern einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausgangsleistung. Der Baustein deckt Low-cost-Anwendungen im unteren Leistungsbereich ab, bei denen keine galvanische Isolation benötigt wird. Um einen Einblick in die Funktionsweise und mögliche Einsatzfälle des VB409 zu verschaffen, enthält der folgende Artikel mehrere Anwendungsbeispiele und geht auf technische Daten des Bausteins ein.

Einführung
Um sein breit gefächertes Angebot an positiven Linearreglern in Standard-Ausführung auch zu hohen Eingangsspannungen hin zu erweitern, entwickelte STMicroelectronics als erster Anbieter einen neue Bausteingeneration, die direkt von der Netzspannung (110/230 Veff) gespeist wird und eine geregelte Ausgangsspannung von 5 V liefert. STMicroelectronics betrachtet den VB409 als erstes Mitglied einer neuen Bausteinfamilie und plant für die Zukunft die Einführung weiterer ICs. Schon in Kürze werden Versionen mit 9 V, 12 V und 15 V Ausgangsspannung folgen. Ermöglicht wurde der Baustein durch die konsequent weiterentwickelte Smartpower-Technologie. Die zur Produktion der neuen Bauelemente verwendete Technologie VIPower M1 wird bereits seit Anfang 1990 in der Produktion eingesetzt und kam erstmals bei vollgeschützten Leistungsstufen für die Kfz-Elektronik zum Einsatz. Bild 1 zeigt einen Querschnitt durch die VIPower M1-Technologie.
Der Baustein wird in dem kostengünstigen und weit verbreiteten TO220-Gehäuse mit 5 Pins (Pentawatt HV) für Einsteckmontage sowie im PowerSO10-Gehäuse für Oberflächenmontage angeboten.

Blockschaltbild und Funktionsweise
Bild 2 zeigt die Aufteilung des VB409 in zwei separate Stufen. Die erste Stufe ist ein Vorregler, der die hohe gleichgerichtete Netzspannung auf eine kleinere Spannung herabsetzt und einen Kondensator lädt. Die gespeicherte Ladung versorgt die zweite Stufe, bei der es sich um einen konventionellen Niederspannungs-Linearregler handelt.
Da der Baustein dem Netz nur während der positiven Halbwellen der Netzspannung und nur bei geringer Spannung Energie entnimmt, wird die Verlustleistung in der ersten Stufe verringert. Während dieser Zeit wird der externe Kondensator auf eine intern eingestellte Spannung aufgeladen. Die zweite Stufe wird während der verbleibenden Zeit, in der dem Netz keine Energie entnommen wird, aus dem Kondensator gespeist. Der Leitwinkel wird durch den externen Spannungsteiler (R1/R2) definiert. Sobald die Spannung am Th-Pin eine interne Referenzspannung erreicht, wird die erste Stufe hochohmig geschaltet. In der Regel wird der Kondensator während der Leitendzeit auf die intern festgelegte Maximalspannung von typisch 13 V aufgeladen. Der Kondensator ist so zu dimensionieren, dass die Funktionalität der zweiten Stufe auch bei maximalem Ausgangsstrom gewährleistet ist. Die minimale Spannung am Kondensator (Vmin) darf dabei nie kleiner als die Summe aus Ausgangsspannung und Spannungsabfall des Niederspannungs-Linearreglers werden.
Vmin=Vout+Vdrop
wobei Vdrop den Spannungsabfall am Linearregler und Vout die Ausgangsspannung des Linearreglers beschreibt.
Wenn der Leitwinkel größer als die Ladezeit des Kondensators ist, liefert die erste Stufe, nach dem vollständigen Nachladen des Kondensators für die verbleibende Einschaltzeit nur noch den aktuellen Laststrom des Linearreglers.
Bild 3 zeigt die Strom- und Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung.

Verlustleistung
Bei einem linearen Spannungsregler (Bild 4) ist die Verlustleistung eine Funktion der mittleren Eingangsspannung und des Ausgangstromes, d. h. je höher die Eingangsspannung ist, um so größer wird die Verlustleistung des Bausteins. Die entsprechende Formel lautet:
Plost = Pin – Pout.
Dabei gilt:
Pin Vin Iout
und
Pout = Vout Iout.
Vin steht dabei für die mittlere Spannung am Eingangs-Pin. Dementsprechend führt eine Zunahme von Vin gegenüber Vout zu einer Abnahme des Wirkungsgrads, der wie folgt definiert ist:
Pout / Pin.
Wird das Prinzip des definierten Leitwinkels angewandt, reduziert sich die Verlustleistung erheblich. In der Formel
P = (1/T)° T vin (t) iin (t) dt
erstreckt sich das Integral über eine komplette Periode. Wird der Leitwinkel richtig gewählt, ergibt sich eine wesentlich geringere Verlustleistung als bei einem konventionellen Linearregler.
Bild 5 zeigt die Strom- und Spannungsverläufe des VB409 für 25 mA Ausgangsstrom. Wie aus Bild 5 ersichtlich ist beträgt die mittlere Verlustleistung bei einem Ausgangsstrom von 25 mA, unter Verwendung eines 100-µF-Kondensators und einer Eingangsspannung von 175 V ca. 1,4 W. Mit einem reinen Linearregler würde sich unter gleichen Betriebsbedingungen eine Verlustleistung von ungefähr 4,4 W ergeben. Dieses Beispiel zeigt, wie deutlich sich der Wirkungsgrad durch Verwendung eines Vorreglers mit definierten Leitwinkel verbessert.
Darüber hinaus lässt sich die Verlustleistung durch die Serienschaltung einer 1 mH Induktivität mit dem Eingangs-Pin des Bausteins weiter verringern (Bild 6). Die Serieninduktivität L entkoppelt den Leistungsschalter vom Netz und erlaubt ihm im eingeschalteten Zustand den Betrieb im Sättigungsbereich. Verglichen mit der Standardausführung ohne Induktivität bewirkt diese Konfiguration einen Rückgang der Verlustleistung um etwa 25 %. Die Diode D bildet den Entmagnetisierungspfad für die Induktivität und begrenzt die sonst beim Abschalten des VB409 enstehende Überspannung auf ca. 1 V.

Anwendungsbeispiele
Nachfolgend sind die z. Zt. hauptsächlich verwendeten Schaltungsvarianten für nichtisolierende Stromversorgungen mit niedrigem Ausgangstrom aufgelistet:
• Widerstand und Hochspannungs-Kondensator mit parallelgeschalteter Zener Diode (Bild 7).
• Hochspannungstauglicher kapazitiver Spannungsteiler (Bild 8).
Beide Versionen eignen sich für Ausgangsströme von bis zu 15 mA. Werden höhere Ströme benötigt kommen in der Regel 50-Hz-Transformatoren mit Brückengleichrichter und Niederspannungs-Linearregler zum Einsatz.
Der VB409 stellt dabei einen idealen Ersatz für die oben aufgeführten nicht isolierten Lösungen dar. Er liefert zum einen Ausgangströme von bis zu 70 mA und bietet darüber hinaus noch folgende weitere Vorteile:
• Geringerer Platzbedarf (kein Hochspannungs-Kondensator erforderlich),
• Höhere Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufgrund niedrigerer Wärmeentwicklung,
• Integrierte Schutzfunktionen, wie Überstrombegrenzung und Übertemperaturabschaltung.
Dabei stellt der VB409 aufgrund seiner hohen Integration darüber hinaus noch eine sehr kostengünstige Lösung dar.
Ein typisches Einsatzgebiete für den VB409 ist die Versorgung von Mikrocontrollern in den verschiedensten Anwendungen, wie z. B. Haushaltsgeräten oder im Industrie- und Consumer-Bereich.
Bild 9 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel für den VB409. Hier liefert der Baustein auch den nötigen Gate-Strom zum Zünden eines Triacs.
Wird ein Triac ohne Schaltentlastungs-Netzwerk benötigt (bei induktiver Last), so kann ein negativer Gate-Impuls mit Hilfe des in Bild 10 gezeigten zusätzlichen RC-Netzwerks erzeugt werden.
Der VB409 wird bereits in den verschiedensten Anwendungsbereichen erfolgreich eingesetzt:
• Stromverbrauchsmessung
• Kollektorloser Elektromotor
• Heizsystem
• Waschmaschine
Bei näherer Betrachtung des VB409 erkennt man, dass zwei Ausgangsspannungen zur Verfügung stehen. Neben der nachgeregelten 5-V-Ausgangsspannung steht am CAP-Pin eine stabilisierte Ausgangsspannung mit einer mittleren Spannung von etwa 12 V und einer vom externen Kondensator abhängigen Welligkeit an. Mit dieser stabilisierten Spannung kann ein 12-V-Relais oder ein ähnlicher Verbraucher versorgt werden.

Fazit
Der vorliegende Artikel widmete sich einem innovativen Hochspannungs-Linearregler. Der Baustein wird über eine Gleichrichterdiode direkt mit dem 110/230-V-Netz verbunden und liefert eine geregelte Ausgangsspannung von 5 V. Durch die Anwendung eines definierten Leitwinkels kann der VB409 ohne jeden Kühlkörper einen Ausgangsstrom von bis zu 40 mA liefern, während ein konventioneller Hochspannungs-Linearregler höchstens 10 bis 15 mA bereitstellen kann.
Autoren: Natale Aiello, Giuseppe Di Stefano, Francesco Macina

STMicroelectronics
Tel. (0049-89) 460 06-244
alfred.eiblmayr@st.com
www.st.com

Bildtexte:
Bild 1: Die VIPower M1-Technologie.
Bild 2: Aufteilung des VB409 in zwei separate Stufen.
Bild 3: Strom- und Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung.
Bild 4: Linearer Spannungsregler.
Bild 5: Strom- und Spannungsverläufe des VB409.
Bild 6: Die Verlustleistung lässt sich durch Serienschaltung einer Induktivität mit dem Eingangs-Pin weiter verringern.
Bild 7: Widerstand und Hochspannungs-Kondensator mit parallelgeschalteter Z-Diode.
Bild 8: Hochspannungstauglicher kapazitiver Spannungsteiler.
Bild 9: Typische VB409-Anwendung – hier liefert der Baustein auch den nötigen Gate-Strom zum Zünden eines Triacs.
Bild 10: Wird ein Triac ohne Schaltentlastungs-Netzwerk benötigt, so kann ein negativer Gate-Impuls mit Hilfe eines RC-Netzwerks erzeugt werden.