Eckdaten

Einstufiges Netzteil versus universelles Netzteil, Vorteile von LLC-Converter, Flyback-Konverter versus Chibi LLC-Konverter. Die Autoren geben einen Überblick, erläutern die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Netzteile und die optimalen Einsatzbereiche.

Durch die zunehmende Konnektivität kommt es zu zahllosen Verbindungen zwischen Systemen, deren Entwicklung in diesem Ausmaß nicht vorhersehbar war. Netzteile betrifft dies im besonderen Maße, da die Stromversorgung oft bis zur letzten Phase der Produktentwicklung vernachlässigt wird. In dieser Phase sind jedoch grundlegende Änderungen an der Applikation oft unerwünscht oder unmöglich, was wiederum zur Folge hat, dass ein Netzteil Filterfunktionen jenseits der ursprünglich intendierten Spezifikationen bereitstellen muss.

Im Gegensatz dazu sind steigende Anforderungen an die Energieeffizienz dafür verantwortlich, dass zunehmend Schalttechnologien in Stromversorgungskonzepten berücksichtigt werden, die zwar die Effizienz optimieren, aber gleichzeitig die elektromagnetischen Emissionen erhöhen. Bei vielen Netzteilen nehmen deshalb die Filterkomponenten mehr als 30 Prozent der gesamten Konstruktionsfläche ein. Dadurch wird das Netzteil größer und teurer als beim Einsatz von sanft schaltenden Technologien.

Bild 1: Bild 1: Lp stellt die Primärwicklung des Transformators dar. Wenn der Schalter Q1 geschlossen ist, fließt Strom von links nach rechts durch Lp, Ladekondensator C2 und Entladekondensator C1. Finepower

Bild 1: Prinzipielle Darstellung der Effizienz eines Netzteils über den Eingangsspannungsbereich. Finepower

Sanft schaltende Technologien gibt es bereits seit Jahrzehnten, wobei der LLC-Konverter die am häufigsten eingesetzte Topologie ist. LLC-Konverter haben jedoch einen sehr engen Grundregelungsbereich, weshalb sie oft als zweite Stufe nach einem Leistungsfaktorkorrekturfilter (Active Power Factor Correction / PFC) eingesetzt werden. Dieser regelt die Eingangsspannung des LLC-Konverters auf einen vorgegebenen Wert, sodass eine gute Regelung der Ausgangsspannung erzielt werden kann.

Die Chibi LLC-Konverter von LEI (eigene Schreibweise: ChiBi) wurden unter Verwendung eines resonanten LLC-Schaltkreises mit hohem Q-Faktor als einstufige AC-DC-Konverter konzipiert. Diese Konverter haben eine relativ hohe Leistungsdichte und ermöglichen eine hocheffiziente Leistungsumwandlung mit geringen elektromagnetischen Emissionen.

Universeller Eingangsspannungsbereich

Seit Aufkommen des Schaltmodus lässt sich bei Netzteilen die Ausgangsspannung optional mit einem größeren Eingangsspannungsbereich regeln, wodurch ein universeller Eingangsspannungsbereich (90 ~ 264 V) möglich wird. Dies vereinfacht zwar zum einen die Spezifikationen und bewirkt eine geringere Differenzierung von Teilenummern. Allerdings entstehen versteckte Kosten für die Entwicklung von Produkten für ein breites oder universelles Sortiment, die nicht unbedingt notwendig sind. Es liegt auf der Hand, dass tragbare Geräte wie Mobiltelefone, Tablets und Laptops eine größere Spannungsweite erfordern, da die Nutzer ihre Geräte auf Reisen mit sich führen. Stationäre Anwendungen wie Netzwerkinfrastruktur, Drucker, TV-Geräte, Set-Top- oder OTT-Boxen werden jedoch nicht an verschiedenen Orten eingesetzt und eignen sich daher für einstufige Netzteile.

Jedes Entwurfsfenster (der Bereich zwischen Minimal- und Maximalwerten) erzielt bei richtiger Balance seine optimale Leistung im mittleren Bereich, wobei beide Extreme eine reduzierte Leistung aufweisen. Bei der Entwicklung eines Universalnetzteils liegt der mittlere Arbeitsbereich bei zirka 180 VAC, also einer Spannung, die weltweit nicht verwendet wird, sodass das Netzteil immer an einem suboptimalen Betriebspunkt arbeitet. Bei der Entwicklung eines einstufigen Netzteils hingegen weichen die Minimal- und Maximalwerte um zirca 10 bis 15 Prozent von der Mitte des Entwurfsfensters ab, und zwar bei der Spannung, bei der das Netzteil tatsächlich verwendet wird. Dies führt zu einer wesentlichen Leistungssteigerung im Vergleich zu Universalprodukten.

Tabelle 1: Ergebnis der Anforderungsprofile für die Eingangspufferkondensatoren.

Tabelle 1: Ergebnis der Anforderungsprofile für die Eingangspufferkondensatoren. Finepower

Bei der Performance der Komponenten, sowohl im Hinblick auf den Preis als auch auf die elektrische Leistung, lassen sich ebenfalls Unterschiede feststellen, insbesondere bei den Komponenten auf der AC-Seite des Netzteils. Als Pufferkondensatoren werden zum Beispiel 400-V-Typen für den Hochspannungsbetrieb (230 V) benötigt, für den Niederspannungsbetrieb (120 V) hingegen eine größere Kapazität, um Anforderungen wie Überbrückungszeiten gerecht zu werden. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis der Anforderungsprofile für die Eingangspufferkondensatoren. Deutlich wird hier, dass für ein universelles Netzteil-Design ein größerer Kondensator erforderlich ist, der normalerweise teurer ist. Ersatzserienwiderstand (ESR), Verlustfaktor (tan∂) sowie Preis sind hier nicht aufgeführt, verhalten sich aber äquivalent. Daraus ergibt sich eine potenzielle Leistungssteigerung für einstufige Produkte in Hinblick auf Effizienz, elektromagnetische Emissionen, Größe und Kosten.

Nächste Seite: Größe eines Stromwandlers reduzieren

Seite 1 von 212