So lässt sich eine effiziente Stromversorgung entwickeln

Bild 1: Schema einer zweistufigen Stromversorgung Texas Instruments

Bild 2: Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung Texas Instruments

Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild einer aktiven Startup-Schaltung Texas Instruments

Bild 4: Vereinfachtes Design einer Boost-Schaltung Texas Instruments

Bild 5: Vereinfachtes Schaltbild einer ACF-Schaltung Texas Instruments

Was wäre alles möglich, wenn man eine Stromversorgung entwickeln könnte, die den Eingangs- und Ausgangsanforderungen aller Anwendungen gerecht wird. Die Wirklichkeit sieht jedoch anders aus, denn Stromversorgungen müssen aus verschiedenen Gründen stets für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt werden.

Ausschlaggebend hierfür sind unter anderem die internen Beschränkungen der Controller. Techniken wie das Schalten im Spannungs-Nulldurchgang, variable Schaltfrequenzen oder Synchrongleichrichtung machen es zwar möglich, die Verluste in den verschiedenen Teilen der Leistungsstufe zu verringern, schränken dafür aber auch den Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich ein. Viele Anwendungen verlangen aber nach einem großen Eingangsspannungsbereich, was zu sehr geringen oder hohen Tastverhältnissen führt und die Leistungsfähigkeit einschränken oder große Verluste verursachen kann.

Die Schaltfrequenz variiert

Angenommen, ein 75-W-Sperrwandler für Eingangsspannungen von 20 bis 375 V wird benötigt. Bei Leistungen bis 100 W ist die Sperrwandler-Topologie (Flyback) eine gute Wahl, denn sie ist die kosteneffektivste isolierte Topologie. Vorbei sind außerdem die Zeiten, in denen Controller mit konstanter Frequenz schalteten, denn moderne Controller modulieren die Schaltfrequenz, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. In der Regel variiert die Schaltfrequenz entsprechend den Bedingungen, die am Eingang und Ausgang herrschen. Designer müssen hierbei allerdings bestimmte Grenzen berücksichtigen, wie etwa die minimale Einschaltzeit, das maximale Tastverhältnis sowie die minimale und die maximale Schaltfrequenz. Diese Einschränkungen machen es für den Controller schwierig, mit einem weiten Eingangsspannungsbereich zurechtzukommen.

Wenn ein extrem weiter Eingangsspannungsbereich beispielsweise von 20 bis 375 V gefordert wird, ist deshalb eine andere Herangehensweise nötig. Eine Möglichkeit ist die in Bild 1 gezeigte zweistufige Lösung.

Bei der ersten Stufe handelt es sich um eine Pre-Boost-Schaltung, die nur bei Eingangsspannungen unter 130 V aktiv wird. Sie erzeugt eine Boost-Ausgangsspannung von rund 130 V, sodass selbst bei Eingangsspannungen bis 20 V herab der Verstärkungsfaktor kleiner als sieben ist, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Sobald die Eingangsspannung größer als V_boost ist, wird die Schaltung von der Regelschleife automatisch außer Betrieb gesetzt, das heißt, der Boost-Controller wird inaktiv. Die galvanische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Boost-Stufe bewirkt dabei, dass die Eingangsspannung direkt an die zweite Stufe geführt wird.

Die zweite Stufe besteht aus einem modernen Flyback-Controller (Sperrwandler). Die effizienteste Sperrwandler-Topologie bedient sich einer aktiven Klemmtechnik, die die Streuenergie regeneriert und für ein sanftes Schalten oder sogar ein Schalten im Spannungs-Nulldurchgang sorgt. In Verbindung mit einem sekundärseitigen Gleichrichter sind Wirkungsgrade bis zu 84 % möglich.

Zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad das Produkt aus der ersten Stufe (Pre-Boost) und der zweiten Stufe (Sperrwandler) ist. Bei Eingangsspannungen oberhalb von 130 V wird allerdings wie erwähnt die Pre-Boost-Stufe deaktiviert, sodass nur die zweite Stufe über die Effizienz entscheidet. Folglich ist über einen weiten Eingangsspannungsbereich ein Wirkungsgrad von deutlich mehr als 90 % möglich.

Ein Referenzdesign als Beispiel

Das Referenzdesign „High efficiency, ultra-wide input (20 to 375 V_DC) isolated power supply reference design” von Texas Instruments (TI) deckt einen Eingangsspannungsbereich von 20 bis 375 V ab und liefert eine Ausgangsspannung von 24 V bei einem maximalen Ausgangsstrom von 3,5 A. Bild 2 gibt den Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung wieder.

Wie aus dem Diagramm abzulesen ist, liegt der Wirkungsgrad bei Eingangsspannungen zwischen 25 und 375 V über 90 %, und die maximale Effizienz beträgt 94 %. Wie ist das möglich? Das Referenzdesign folgt dem gleichen Konzept wie die Schaltung aus Bild 1. Im Prinzip gliedert sich das Design in drei Abschnitte: eine Pre-Boost-Stufe, eine ACF-Stufe (Active Clamp Flyback) und eine Startup-Schaltung. Während die Pre-Boost-Stufe den Current-Mode Controller UCC28C42 von TI enthält, kommt in der ACF-Stufe der Flyback Controller UCC28780 von TI zum Einsatz.

Tipps für das Design einer Startup-Schaltung

Wenn Sie mit dem Schaltplanentwurf beginnen, sollten Sie der Startup-Schaltung einige Gedanken widmen, da diese eine Herausforderung für das Erreichen eines weiten Eingangsspannungsbereichs darstellt. Schließlich müssen die V_DD-Kondensatoren der Pre-Boost- und der Active-Clamp-Stufe aufgeladen werden, damit die Schaltung anlaufen kann. Bekanntermaßen führt eine resistive Startup-Methode besonders in Anwendungen mit hohen Eingangsspannungen zu höheren Verlusten. Sehr häufig befinden sich Stromversorgungen im Standby-Modus, weshalb oftmals eine aktive Startup-Schaltung benötigt wird, um die Standby-Verluste zu senken. In einer solchen Schaltung kann ein selbstleitender Baustein wie etwa ein Verarmungs-MOSFET zum Einsatz kommen. Bild 3 zeigt eine vereinfachte Startup-Schaltung.

Der Verarmungs-MOSFET Q1 lädt den V_DD-Kondensator auf, solange der Controller noch nicht arbeitet. Sobald die Spannung V_DD die Ansprechschwelle der Unterspannungssperre überschritten hat, beginnt der Controller zu arbeiten. Die Hilfswicklung versorgt den Controller über die Diode D2 und Q1 kann abgeschaltet werden (über die Hilfswicklung, D1 und Q2). Im Schaltbild des Referenzdesigns für eine isolierte Stromversorgung ist diese auf einem Verarmungs-MOSFET basierende Startup-Schaltung etwas detaillierter wiedergegeben. Die Hilfswicklung des ACF-Flyback-Übertragers wird für mehrere Aufgaben genutzt, nämlich zum Abschalten des Verarmungs-MOSFET sowie zur Versorgung der Boost-Stufe und des ACF-Controllers.

Tipps für das Design einer Pre-Boost-Schaltung

Die Pre-Boost-Schaltung ist für den nichtlückenden Betrieb vorgesehen. Während des Abschaltens der Diode würde der hohe Sperrverzögerungsstrom einer Siliziumdiode zu hohen Verlusten führen. Empfohlen wird deshalb die Verwendung eines schnell schaltenden MOSFET und einer Siliziumkarbid-Schottkydiode (SiC). Dies senkt die Verluste drastisch, insbesondere weil bei einer SiC-Diode nahezu kein Sperrverzögerungsstrom fließt. Mithilfe einer Bypass-Diode lassen sich übrigens hohe Stoßströme in der SiC-Diode (D_boost) vermeiden.

Wie bereits erwähnt, ist die Ausgangsspannung auf 130 V geregelt. Die Rückkoppelschleife unterbricht also den Betrieb des Boost-Reglers, wenn die Eingangsspannung größer als 130 V ist. Dennoch müssen aber alle Bauteile für die maximale Eingangsspannung von 375 V (zuzüglich einer Sicherheitsmarge) ausgelegt werden und die maximale Stromstärke verkraften.

Mit einem als Freeware von Texas Instruments verfügbaren Tool (Power Stage Designer) lassen sich die Spannungen und Ströme aller gängigen Topologien darstellen. So können auf einfache Weise diejenigen Bauelemente ausgewählt werden, die die maximalen Spitzen- und Effektivwerte der Spannungen und Ströme aushalten.

Tipps für das Design einer ACF-Schaltung

Bei der zweiten Stufe handelt es sich um eine ACF-Schaltung. Ein normaler, im lückenden Betrieb arbeitender Sperrwandler mit passiver Klemmung dissipiert die Streuenergie des Übertragers in einer passiven Snubber-Schaltung. In einer ACF-Schaltung dagegen wird diese Energie zurückgewonnen und das Schalten erfolgt über einen weiten Bereich von Betriebszuständen hinweg im Spannungs-Nulldurchgang. Ein vereinfachtes Schaltbild hierzu ist in Bild 5 zu sehen.

Die ACF-Schaltung arbeitet im Übergangsmodus und moduliert den primärseitigen Scheitelstrom und die Schaltfrequenz. Q_HS hilft beim Zurückgewinnen und Speichern der Streuenergie in einem Snubber-Kondensator. Darüber hinaus nutzt die ACF-Schaltung den Magnetisierungsstrom des Übertragers zum Entladen der Schaltknoten-Kapazität (C_sw) und zum Reduzieren der Spannung am Schaltknoten auf 0 V, bevor Q_LS einschaltet. Dies ermöglicht ein Schalten im Spannungs-Nulldurchgang und vermeidet die Schaltverluste.

Damit das gesamte System korrekt funktioniert, muss besonderes Augenmerk auf den Übertrager gerichtet werden. Unter anderem bestimmen die primärseitige Induktivität und das Windungsverhältnis darüber, in welcher Betriebsart die Schaltung über den gesamten Lastbereich hinweg arbeitet. Es wird deshalb empfohlen, sich an die im Datenblatt angegebenen Regeln zu halten und die minimale Einschaltzeit, den Schaltfrequenzbereich und den maximalen primärseitigen Scheitelstrom des Übertragers sorgfältig zu spezifizieren. Mit Power Stage Designer gestaltet sich das Spezifizieren des Übertragers zudem deutlich einfacher.

Schließlich wird auch zur Anwendung einer besonderen Wickeltechnik geraten, da eine einwandfreie Kopplung der Wicklungen erforderlich ist. Zum Beispiel sollte die Primärwicklung geteilt werden, um die Sekundär- und Bias-Lagen zwischen beiden Hälften einzubetten. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads sollte außerdem die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, die Ausgangsdiode durch einen Synchrongleichrichter zu ersetzen. Der ACF-Controller UCC28780 funktioniert mit einem Synchrongleichrichter wie dem UCC24612 mit Drain-Source-Sensing (VDS). Das VDS-Sensing nutzt den Spannungsabfall am R_DS(on) des MOSFET und die Body-Diode zum Ein- und Ausschalten des Synchrongleichrichter-MOSFET. Der Synchrongleichrichter kann wahlweise auf der positiven oder negativen Seite der Ausgangswicklung platziert werden. Befindet er sich im positiven Pfad, sind die elektromagnetischen Gleichtakt-Interferenzen geringer, jedoch scheidet in diesem Fall eine Versorgung des Controllers durch die Ausgangsspannung aus. Hier ist stattdessen eine zusätzliche Wicklung oder eine Widerstands-Kondensator-Dioden-Schaltung erforderlich, um den Synchrongleichrichter-Controller zu versorgen.

Zusammenfassung

Das Referenzdesign von Texas Instruments für eine isolierte Stromversorgung zeigt eine gute Möglichkeit auf, einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich zu erzielen. Mit einem Konzept wie der zweistufigen Stromversorgung lässt sich ein Wirkungsgrad von über 90 % im Verbund mit einer hohen Leistungsfähigkeit erreichen. Unter den Power-Referenzdesigns von Texas Instruments finden sich Lösungen für zahlreiche Anwendungsfälle. Machen Sie bei Ihren Entwicklungsprojekten Gebrauch davon. Häufig werden Sie ein Design mit ähnlichen Spezifikationen vorfinden, das eine gute Ausgangsbasis darstellt und Ihren Designprozess beschleunigen kann.

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