Power-Tipp Flybackwandler ohne Optokoppler

Bei galvanisch getrennten Stromversorgungen muss man sich entscheiden, auf welcher Seite der Controller sitzt. Lösungen gibt es ohne Feedbackpfad oder mit komplett integriertem Feedbackpfad. Wir erklären Aufbau und Vorteile.

Flybackwandler (Sperrwandler) werden gerne in Anwendungen verwendet, in denen die galvanische Trennung einer Versorgungsspannung notwendig und die zu übertragene Leistung eher gering ist. Typischerweise werden Flybackwandler bis ca. 60 W eingesetzt.

Bei galvanisch getrennten Stromversorgungen muss man sich entscheiden, auf welcher Seite der galvanischen Trennung der Controller, also der Steuerbaustein, sitzt. Befindet er sich auf der Sekundärseite, muss die Ansteuerung der primärseitigen Leistungsschalter über die galvanische Trennung gebracht werden. Platziert man den Controller auf der Primärseite, muss der Feedbackpfad, also ein Signal, welches Informationen zum Zustand der Ausgangsspannung enthält, durch die galvanische Trennung gebracht werden.

Galvanische Trennung mit Signalen überbrücken

In beiden Architekturen werden Wege benötigt, die galvanische Trennung mit Signalen zu überbrücken. Häufig werden hierzu Optokoppler eingesetzt. Diese haben jedoch einige unschöne Eigenschaften. Meistens sind sie im Temperaturbereich nur bis 85°C spezifiziert. Mit der Zeit ändert sich ihr CTR (Current Transfer Ratio, dt. Gleichstrom-Übertragungsverhältnis), was bedeutet, dass sich ihr Übertragungsverhalten über die Betriebsdauer ändert. Zusätzlich müssen die Optokoppler angesteuert werden, wozu einige Bauteile benötigt werden. Die Regelschleife der Stromversorgung wird durch den Einsatz von Optokopplern üblicherweise auch recht langsam.

In den letzten Jahren wurden elegante Lösungen für dieses Problem erarbeitet. Die erste Lösung ist ein Flybackregler, welcher die Ausgangsspannung nicht direkt misst. Es wird der Spannungsverlauf der primärseitigen Transformatorwicklung untersucht und dadurch können genügend genaue Rückschlüsse über die tatsächliche Ausgangsspannung getroffen werden. Die Genauigkeit dieser Regelung ist abhängig von den üblichen Rahmenbedingungen wie der Eingangs- und Ausgangsspannung, Lastveränderungen sowie Eingangsspannungsveränderungen.

Für viele Anwendungen reichen +/-10% bis +/-15% jedoch vollkommen aus. Bild 1 zeigt den LT8301. Der IC in einem SOT23-Gehäuse benötigt dank der integrierten Leistungstransistoren nur sehr wenige externe Komponenten. Die Isolationsspannungsfestigkeit der Schaltung hängt alleine vom verwendeten Transformator ab. Damit ist man gerade bei sehr hohen benötigten Isolationsspannungen recht flexibel.

Anwendungen mit höherer Regelgenauigkeit

Wenn eine Anwendung jedoch eine höhere Regelgenauigkeit benötigt, gibt es ganz aktuell noch eine interessante Lösung. Analog Devices hat mit dem ADP1071 einen Flybackcontroller auf den Markt gebracht, der einen komplett integrierten Feedbackpfad mit der Icoupler-Technologie beinhaltet.

Bild 2 zeigt die Schaltung mit ebenfalls nur sehr wenigen benötigten Bauteilen. Im ADP1071 befindet sich ein primärseitiger Controller, eine aktive sekundärseitige Gleichrichtung für erhöhte Wandlungseffizienz sowie der komplett integrierte Feedbackpfad für sehr schnelle Regelschleifen. Die Ausgangsspannung wird dadurch auch bei starken Lasttransienten sehr genau und vor allem sehr schnell geregelt. Der Betrieb ist bis 125°C Siliziumtemperatur zugelassen.

Die maximale Isolationsspannung hängt hier vom ausgewählten Transformator sowie der verwendeten Isolationstechnologie im Schaltregler-IC ab. Der Chip hat eine maximale Isolationsspannung von 5 kV. Eine Klassifizierung nach VDE V 0884-10 für ‚Reinforced Insulation‘ ist beantragt.

Somit stehen heute interessante Lösungen zum Aufbau einer galvanisch getrennten Stromversorgung zur Verfügung. Je nach Anwendungsfall passt eine Lösung ohne Feedbackpfad oder auch mit komplett integriertem Feedbackpfad. Da die 85°C-Limitierung eines Optokopplers entfällt, können kompakte Stromversorgungen entworfen werden, die sehr hohe Leistungsdichten haben. Durch die geringen Bauformen der benötigten Komponenten kann auch ein Gerät mit galvanischer Trennung trotzdem sehr klein werden.

Power-Tipp

Ideale Stromversorgung für Schleifen von 4 bis 20 mA

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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