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| von Brian Kennedy

Im herkömmlichen Aufbau eines primärseitigen Controllers verwendet man Optokoppler zur galvanischen Trennung der Rückkopplungsschleife und einen Shunt-Regler als Fehlerverstärker und eine Referenz.

Auf einen Blick

Verglichen mit Optokopplern, die ein unsicheres Stromübertragungsverhältnis sowohl über ihre Lebenszeit als auch über die Temperatur haben, hat der digital isolierte Fehlerverstärker eine besondere Übertragungsfunktion. Sie ist über seine Lebenszeit konstant und über einen weiten Temperaturbereich stabil. Der isolierte Fehlerverstärker eignet sich für Stromversorgungen, die isolierte DC/DC-Wandler nutzen und das Ziel verfolgen, das Transientenverhalten bei primärseitigen Steuerarchitekturen zu verbessern und den Temperaturbereich zu erweitern.

Oft gilt ein Optokoppler als preiswerter Isolator zum Einsatz in Stromversorgungen. Allerdings begrenzen Optokoppler die Bandbreite der Regelschleife auf ein Maximum von 50 kHz oder noch niedriger. Mit schnellen und zuverlässigen Digitalisolatoren, die einen isolierten Fehlerverstärker und eine Präzisionsreferenz in einem Gehäuse enthalten, lässt sich ein genauer isolierter Fehlerverstärker mit wesentlich geringerer Temperaturdrift und größerer Bandbreite realisieren.

Mit einem digital isolierten Fehlerverstärker lässt sich eine Schleifenbandbreite von über 250 kHz erreichen. Dies ermöglicht, dass isolierte Stromversorgungen primärseitig mit wesentlich höheren Schaltfrequenzen arbeiten können. Mit der richtigen Stromversorgungstopologie ermöglichen höhere Schaltfrequenzen den Einsatz kleinerer Filter-Induktivitäten und Kondensatoren am Ausgang und somit die Entwicklung kompakterer Stromversorgungen.

Die Wahl der Topologie

Die erste vorgestellte Topologie ist ein Sperrwandler (Flyback Converter oder Hoch-Tiefsetzsteller), da dies hinsichtlich der Zahl der Bauteile die einfachste Schaltung ist. Der Flyback-Schaltkreis kann die wenigsten Schalter enthalten. In diesem Fall ist das lediglich ein Schalter auf der Primärseite. Auf der Sekundärseite befindet sich eine Diode als Gleichrichter. Die einfache Flyback-Schaltung lässt sich oft für relativ geringe Ausgangsleistungen verwenden; sie hat jedoch einen hohen Ripple-Strom am Ausgang, sowie eine niedrige Grenzfrequenz in Folge des Right-Half-Plane Zero (RHPZ) .

Bild 1: Blockdiagramm eines Flyback-Reglers mit Optokoppler und Shunt-Regler.

Bild 1: Blockdiagramm eines Flyback-Reglers mit Optokoppler und Shunt-Regler.Analog Devices

Deshalb brauchen Flyback-Schaltkreise große Ausgangskondensatoren mit hohen Ripple-Strömen. Das Optokoppler-Konzept (Bild 1) beinhaltet einen Shunt-Regler, der als Fehlerverstärker der Rückkopplungsspannung einer isolierten Ausgangsspannung VO fungiert. Der Shunt-Regler liefert die Referenzspannung mit einer typischen Genauigkeit von zwei Prozent, wenn er als Genauigkeitsstandard Verwendung findet.

Die heruntergeteilte Ausgangsspannung vergleicht man mit dem internen Fehlerverstärker mit der Referenzspannung des Shunt-Reglers. Den Ausgang speist man in die Optokoppler-LED-Schaltung ein. Die Optokoppler-LED ist mit einem Strom vorgespannt, den die Ausgangsspannung und einen Serienwiderstand zur Verfügung stellen. Die Höhe des erforderlichen Stromes ergibt sich aus der CTR-Charakteristik (Current Transfer, Übertragungscharakteristik) des Optokopplers; dies ist im Datenblatt beschrieben.

Bild 2: Die Optokoppler CTR-Absenkung.

Bild 2: Die Optokoppler CTR-Absenkung.Analog Devices

Die CTR ist das Verhältnis aus Ausgangstransistorstrom und Eingangs-LED-Strom. Die CTR-Charakteristika sind nicht linear und variieren von Optokoppler zu Optokoppler. Die Optokoppler-CTR variiert mit der Betriebslebensdauer (Bild 2). Dies macht Entwicklungen im Hinblick auf eine hohe Lebensdauer zur Herausforderung. Der Optokoppler, den man heute einsetzt und testet, hat hinsichtlich seiner CTR normalerweise eine Unsicherheit von eins bis zwei.

Nach jahrelangem Einsatz oder Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen – etwa in leistungsstarken Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte – wird die CTR 40 Prozent niedriger liegen. Wenn ein Optokoppler als lineares Bauteil Einsatz findet, hat er eine relativ langsame Übertragungscharakteristik (die Kleinsignalbandbreite beträgt etwa 50 kHz). Dies führt zu einem langsamen Schleifenverhalten der Stromversorgung.

Für die Flyback-Topologie ist ein langsames Übertragungsverhalten kein Problem, da diese Topologie verlangt, dass die Kompensation des Fehlerverstärkers die Schleifenbandbreite reduziert, um einen stabilen Ausgang beizubehalten. Problematisch bei einem Optokoppler ist, dass die Änderung seines Ausgangsverhaltens über die Zeit den Entwickler dazu zwingen kann, das Schleifenverhalten noch weiter zu reduzieren, um die Stabilität der Schleife sicherzustellen. Der Nachteil eines langsameren Schleifenverhaltens ist, dass dies das Transientenverhalten beeinträchtigt und die Ausgangsspannung nach einer Last-Transiente länger braucht, um sich zu erholen.

Ein zusätzlicher Ausgangskondensator kann helfen, den Spannungsabfall am Ausgang zu reduzieren. Dieser verlängert jedoch die Reaktionszeit am Ausgang, was zu einem größeren und kostspieligeren Stromversorgungsdesign führt, wenn eine kleinere und preiswertere Lösung möglich und wünschenswert wäre.

Bild 3: Ein isolierter Fehlerverstärker ersetzt den Optokoppler und Shunt-Regler.

Bild 3: Ein isolierter Fehlerverstärker ersetzt den Optokoppler und Shunt-Regler. Analog Devices

Nach Untersuchung der Schwierigkeiten beim stabilen Betrieb eines Optokopplers als linearem Isolator rückt die Fähigkeit des digital isolierten Fehlerverstärkers, stabile und zuverlässige Leistungsfähigkeit über die Zeit und Temperatur zu liefern in den Vordergrund. Der Shunt-Regler und die Vref sind durch einen Breitband-Operationsverstärker und eine 1,225-V-Referenz ersetzt. Der Optokoppler ist so durch den schnellen linearen Isolator, basierend auf digitaler Isolatortechnik, getauscht.

Der Operationsverstärker auf der rechten Seite des Bauteils verfügt über einen nichtinvertierenden +In-Pin, angeschlossen an die interne 1,225-V-Referenz und einen invertierenden -In-Pin, verfügbar für den Anschluss einer Rückkopplungsspannung an einen isolierten DC/DC-Wandlerausgang. Dies erfolgt über einen Spannungsteiler. Der Comp-Pin ist der Operationsverstärkerausgang. Er lässt sich zum Anschluss von Widerständen und Kondensatoren eines Kompensationsnetzwerks verwenden.

Bild 4: Die Ausgangsgenauigkeit eines isolierten Fehlerverstärkers in Abhängigkeit von der Temperatur.

Bild 4: Die Ausgangsgenauigkeit eines isolierten Fehlerverstärkers in Abhängigkeit von der Temperatur.Analog Devices

Der Comp-Pin treibt intern den Transmitterblock, der die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in einen modulierten Impulsausgang wandelt, um den Digitalisolator anzusteuern. Auf der linken Seite des isolierten Fehlerverstärkers erfolgt die Decodierung des Ausgangssignals und die Wandlung in eine Spannung, die einen Verstärkerblock treibt. Der Verstärkerblock erzeugt den Ausgang des Fehlerverstärkers am Pin EAout. Dieser dient zum Treiben des Eingangs eines PWM-Controllers in der DC/DC-Schaltung.

Isoliert und verstärkt

Zu den Vorteilen des vorgestellten digitalisolierten Fehlerverstärkers gehören die Referenz und der Operationsverstärker, die die Offset- und Verstärkungsfehlerdrift über die Temperatur minimieren. Die 1,225-V-Referenz ist auf ein Prozent Stabilität über die Temperatur eingestellt. Dies ist genauer und hat wesentlich weniger Drift als ein Shunt-Regler.

Das typische Ausgangsverhalten des isolierten Fehlerverstärkers ändert sich über den Bereich von -40 bis +125 ˚C nur um 0,2 Prozent. Dies gewährt einen DC/DC-Ausgang mit hoher Genauigkeit. Zum Beibehalten eines stabilen Ausgangsverhaltens ist der Comp-Ausgang des Operationsverstärkers Impuls-verschlüsselt (Pulse Encoded), um digitale Impulse über die Isolationsstrecke zu senden. Diese Impulse wandelt der Digitalisolator in ein Analogsignal um. Die Probleme durch CTR-Abweichungen bei der Optokoppler-Isolation lassen sich damit vollständig eliminieren.

Vom Schieben und vom Drücken

Für Anwendungen, die einen schnelleren Transientenverlauf benötigen, lässt sich mit dem digital isolierten Fehlerverstärker eine Push-Pull-Topologie implementieren.

Bild 5: Das Blockdiagramm eines Push-Pull-Konverters mit digital isoliertem Fehlerverstärker.

Bild 5: Das Blockdiagramm eines Push-Pull-Konverters mit digital isoliertem Fehlerverstärker.Analog Devices

Bei der Push-Pull-Schaltung (Bild 5) schalten zwei MOSFETs abwechselnd ein und aus und speisen die zwei primären Wicklungen eines Transformators. Die zwei sekundären Wicklungen sind mit Dioden versehen und speisen die ausgangsseitige Induktivität beziehungsweise den Filter-Kondensator. Bei richtiger Kompensation ist die Push-Pull-Topologie sehr stabil mit wesentlich höheren Schaltfrequenzen und schnellerem Schleifenverhalten. Das gleiche isolierte DC/DC-Schaltungsbeispiel, das in der Flyback-Schaltung Verwendung fand (5 V ein- und 5 V ausgangsseitig bei 1,0 A Ausgangsstrom), ist jetzt mit dem digital isolierten Fehlerverstärker ADuM3190 für die Push-Pull-Schaltung implementiert.

Das Push-Pull-Design hat eine Schaltfrequenz von 1,0 MHz gegenüber der langsameren Frequenz von 200 kHz eines typischen Flyback-Designs. Somit ist der ADuM3190 mit seiner höheren Bandbreite eine bessere Option als ein Optokoppler. Die Kapazität des Ausgangsfilters reduzierte man von 200 µF für ein typisches Flyback-Design auf 27 µF für die Push-Pull-Schaltung. Außerdem wurde die Schaltung mit einer kleinen Induktivität von 47 µH erweitert.

Vielfache Verbesserungen

Die Signalverläufe (Bild 6) zeigen, dass die Push-Pull-Schaltung mit isoliertem Fehlerverstärker bei Lasten von 100 bis 900 mA in 100 µs reagiert. Gegenüber einem typischen Flyback-Design mit bis 400 µs bedeutet dies eine Verbesserung um das Vierfache.

Bild 6: Der Push-Pull-Konverter mit digital isoliertem Fehlerverstärker bei Laständerungen zwischen 100 und 900 mA.

Bild 6: Der Push-Pull-Konverter mit digital isoliertem Fehlerverstärker bei Laständerungen zwischen 100 und 900 mA.Analog Devices

Statt einer Änderung der Ausgangsspannung von 400 mV wie bei der Flyback-Schaltung ändert sich die Ausgangsspannung der Push-Pull-Schaltung nur um 200 mV. Dies entspricht einer Verbesserung um das Zweifache. Die schnellere Push-Pull-Topologie und die höhere Bandbreite des isolierten Fehlerverstärkers ergibt eine höhere Leistungsfähigkeit mit schnellerem Transientenverhalten und ermöglicht den Einsatz eines kleineren Ausgangsfilters.

Diese Verbesserungen ermöglichte die hohe Bandbreite des isolierten 400 kHz-Fehlerverstärkers, der ein schnelleres Schleifenverhalten erlaubt. Der sekundärseitige Fehlerverstärker, der ein hohes Verstärkungs-/Bandbreiten-Produkt von 10 MHz aufweist, ist etwa fünfmal schneller als ein Shunt-Regler und erlaubt eine höhere Schaltfrequenz bis 1,0 MHz für einen isolierten DC/DC-Wandler.

Im Gegensatz zu Optokoppler-Varianten, die ein unsicheres Stromübertragungsverhältnis über die Lebenszeit und über die Temperatur aufweisen, hat der digital isolierte Fehlerverstärker eine Übertragungsfunktion, die über seine Lebenszeit konstant und über einen großen Temperaturbereich von -40 bis +125 °C stabil ist. Mit diesen Verbesserungen der Leistungsfähigkeit wird der isolierte Fehlerverstärker für Entwickler von Stromversorgungen, die isolierte DC/DC-Wandler einsetzen und das Transientenverhalten bei primärseitigen Steuerarchitekturen verbessern sowie den Temperaturbereich erweitern möchten, zur bevorzugten Lösung avancieren.

Brian Kennedy

ist als Application Engineer in der Analog Devices iCoupler Components Group in Wilmington, Massachusetts, USA, tätig.

(rao)

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