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Grundlagen

Entwickeln einer einfachen, isolierten Vorspannungsversorgung

| Autor: Kristin Rinortner

Entwickeln einer einfachen, isolierten Vorspannungsversorgung
Entwickeln einer einfachen, isolierten Vorspannungsversorgung (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Eine isolierte Stromversorgung für die Schaltung eines Gate Drives, einer isolierten Messung oder für eine Kommunikationsschaltung generieren mit minimaler Teileanzahl, Komplexität und minimalen Kosten.

Mussten Sie jemals eine isolierte Stromversorgung für die Schaltung eines Gate Drives, einer isolierten Messung oder für eine Kommunikationsschaltung generieren? In diesem Power-Tipp betrachten wir eine Schaltung, bei der dies mit minimaler Teileanzahl, Komplexität und minimalen Kosten möglich ist.

Diese Schaltung wird verwendet, wenn eine geringe Eingangsspannung verfügbar ist und die zu versorgenden Schaltungen eine gewisse Abweichung (fünf Prozent) der Versorgungsspannung zulassen.

Bild 1: Synchroner Abwärtsregler als isolierte Stromversorgung Bild 1: Synchroner Abwärtsregler als isolierte Stromversorgung

Bild 1 enthält ein Beispiel dieser Technik. Dieses Beispiel zeigt einen speziell für diese Anforderung entwickelten IC. Es kann jedoch eine beliebige synchrone Abwärtsreglerschaltung verwendet werden, die einen negativen Stromfluß durch die Induktivität zulässt. Diese als asymmetrischer Halbbrücken-Sperrwandler (oder Flybuck) bezeichnete Schaltung funktioniert weitestgehend wie ein synchroner Abwärtsregler.

Ein an die Eingangsspannung angeschlossene FET-Halbbrücke versorgt einen Induktivitäts-Kondensator-Filter. Der Ausgang des Filters wird dann über einen Spannungsteiler und über den negativen Eingang eines Fehlerverstärkers reguliert. Der Fehlerverstärker steuert das Tastverhältnis der FET-Halbbrücke, um eine DC-Spannung am Regelpunkt beizubehalten.

Die Spannung an C6 entspricht in etwa dem Tastverhältnis multipliziert mit der Eingangsspannung. Wie bei einem synchronen Abwärtsregler müssen die Vs (Voltsekunden) an der Induktivität gleich null sein. Bei dieser Schaltung werden jedoch an der Induktivität eine zusätzliche gekoppelte Wicklung sowie eine Diode zur Gleichrichtung der reflektierten Induktivitätsspannung verwendet, wenn der Low-Side-FET aktiv ist.

Da die Spannung an der Induktivität zu diesem Zeitpunkt mit der Ausgangsspannung identisch ist, wird im Idealfall der Ausgang der Schaltung reguliert. Daher wird durch unterschiedliche Spannungsabfälle auf der Primär- und Sekundärseite die Spannungsregelung herabgesetzt. In dieser Schaltung wird die Spannungsregulierung mit Last erheblich durch den Durchlassspannungsabfall der Diode D1 beeinflusst. Die Diode kann jedoch durch einen FET ersetzt werden, um die Lastregulierung zu optimieren.

Genau wie bei einem SEPIC-Wandler mit gekoppelter Induktivität können parasitäre Komponenten in dieser Topologie die Leistung der Schaltung beeinflussen. Bei aktiver Schaltung ist diese recht unkritisch und der meiste Strom fließt in der Hauptinduktivität der gekoppelten Induktivität T1, die C6 lädt. Der Ausgangskondensator C3 liefert den Laststrom. Während der Ausschaltzeit werden die beiden Kondensatoren jedoch über die gekoppelten Wicklungen der Induktivität parallel geschaltet.

Diese Kondensatoren haben unterschiedliche Spannungen und der Stromfluss zwischen ihnen wird nur durch die parasitäten Komponenten in der Schleife begrenzt. Zu den parasitäten Komponenten zählen der effektive Serienwiderstand (Effective Series Resistance, ESR) der beiden Kondensatoren, der Wicklungswiderstand der gekoppelten Induktivitäten, die Widerstände des Low-Side-MOSFETs und der Diode sowie die Streuinduktivität der gekoppelten Induktionsspulen.

Bild 2: Geringe Streuung verstärkt Kreisströme Bild 2: Geringe Streuung verstärkt Kreisströme

In Bild 2 werden simulierte Ströme bei unterschiedlichen Streuinduktivitätswerten dargestellt. Oben ist dabei der Strom auf T1-Primärseite abgebildet, während unten der Strom in der Ausgangsdiode D1 dargestellt ist. Die Streuinduktivität variiert von einer sehr eng gekoppelten Induktivitäten mit 10 nH zu sehr lose gekoppelten Induktivitäten mit 1 µH. Bei eng gekoppelten Induktivitäten ist der Spitzenstrom viel höher und er wird im Wesentlichen durch die Widerstände in der Schleife begrenzt.

Für lose gekoppeltenInduktivitäten sind die Spitzenströme deutlich geringer. Die höhere Streuung hilft bei der Verbesserung des Wirkungsgrades, indem die Effektivströme reduziert werden. Der Vergleich wird in Abbildung 2 gezeigt. Bei lose gekoppelten Induktivitäten wird der Stromfluss um bis zu 50 Prozent reduziert, wodurch die Verluste in einigen Komponenten um 75 % sinken. Der Nachteil einer losen Kopplung besteht darin, dass die Regelung der Ausgangsspannung herabgesetzt wird.

Bild 3: Die "Flybuck"- Regelung der Ausgangsspannung ist in vielen Fällen ausreichend Bild 3: Die "Flybuck"- Regelung der Ausgangsspannung ist in vielen Fällen ausreichend

In Bild 3 wird die Regelung der Ausgangsspannung für einen Wandler gezeigt, der dem in Bild 1 stark ähnelt. Wenn der Laststrom begrenzt ist, bietet dieser Wandler in vielen Fällen eine „ausreichende“ Regelung. Bei leichten Lasten ist der Einfluss der Spannungsmodulation des Halbleiterübergangs der Diode als auch von Überschwingungen zu beobachten. Für die Reduzierung der Auswirkungen bei leichten Lasten ist möglicherweise eine Minimallast oder der Einsatz einer Zenerdiode zur Begrenzung erforderlich.

Bei schweren Lasten wird die Regelung durch die parasitäten Komponenten in der Schaltung herabgesetzt. Demzufolge können durch eine entsprechende Reduzierung bessere Ergebnisse erzielt werden. Die Regelung der Ausgangsspannung kann beispielsweise durch einen Austausch der Diode durch einen synchronen Schalter deutlich optimiert werden.

Zusammenfassend handelt es sich bei einem `Flybuck`-Wandler um eine attraktive Topologie, die dem Bedarf an einer kostengünstigen, einfachen, isolierten Stromversorgung gerecht wird und die eine gewisse Abweichung (5 bis 10 %) der Ausgangsspannung tolerieren kann. Die Effizienz kann (bei 5-V-Ausgang) gute Werte (80 %) mit Diodengleichrichter erreichen, die mithilfe synchroner Gleichrichter weiter verbessert werden können.

Von Robert Kollman, Texas Instruments

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