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Analog-Grundlagen Gleichrichter für Sperrwandler mit mehreren Ausgängen

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Im Power Tipp Nr. 68 ging es darum, wie sich mithilfe einer gewichteten Regelung die Kreuzregelung von Sperrwandlern mit mehreren Ausgängen verbessern lässt. Als ein weiterer wichtiger Aspekt kommt bei diesen Schaltungen die Wahl der richtigen Ausgangs-Gleichrichter hinzu.

Power-Tipp, Teil 69
Power-Tipp, Teil 69
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Diese Zusammenhänge sollen im vorliegenden Power Tipp an Hand eines Sperrwandlers mit zwei Ausgängen (3,3 V/0,5 A und 5 V/2 A) verdeutlicht werden. In der Schaltung in Bild 1 bestimmen die Gleichrichter D1 und D3 das Windungsverhältnis zwischen den Wicklungen für 3,3 V und 5 V.

Bild 1: Die Kreuzregelung bei einem Sperrwandler mit zwei Ausgängen spart einerseits Geld, geht aber andererseits auf Kosten der Regeleigenschaften.  (Bild: TI) Bild 1: Die Kreuzregelung bei einem Sperrwandler mit zwei Ausgängen spart einerseits Geld, geht aber andererseits auf Kosten der Regeleigenschaften. (Bild: TI)

Als erstes muss über die Nennspannung der Gleichrichter entschieden werden. Diese ergibt sich aus der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der von der Primärseite reflektierten Spannung, zuzüglich einer gewissen Sicherheitsmarge für Oszillationen und Derating. Im vorliegenden Fall eignen sich 30-V-Dioden für den 3,3-V-Ausgang, während für den 5,0-V-Ausgang Dioden mit 40 V Nennspannung gewählt werden. Als nächstes gilt es über die Art des Gleichrichters zu entscheiden: soll eine Ultra-Fast-Recovery-Diode, eine Schottky-Diode oder ein MOSFET zum Einsatz kommen?

Bild 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien dieser Bauelemente über einen weiten Strombereich sowie bei Temperaturen von -40 °C und +125 °C. Meist wird ein maximaler Strom vorgegeben, den eine Stromversorgung liefern können muss. Dagegen gibt es meist nur wenige Vorgaben in Bezug auf den Mindeststrom – abgesehen vielleicht von der Aussage, dass gelegentlich kein Laststrom fließt. Diese großen Schwankungen des Spannungsabfalls gefährden die Stabilität der Regelung, und zwar – wie weiter unten beschrieben wird – besonders bei niedrigen Spannungen.

Häufig statten Designer die Stromversorgung mit Vorlast-Widerständen aus, um die Breite des Lastbereichs auf diese Weise einzugrenzen. Ein wichtiger Aspekt bei dem im lückenden Betrieb arbeitenden Sperrwandler, um den es hier geht, ist die Tatsache, dass der Spitzenwert des Diodenstroms das Vierfache des Ausgangsstroms beträgt. Bei einem Ausgangsstrom von 1 A fließen somit maximal 4 A in der Diode.

Bild 2: MOSFETs können die großen Spannungsschwankungen am Gleichrichter abmildern, die die Kreuzregelung beeinträchtigen.  (Bild: TI) Bild 2: MOSFETs können die großen Spannungsschwankungen am Gleichrichter abmildern, die die Kreuzregelung beeinträchtigen. (Bild: TI)

In Bild 2 weist die Fast-Recovery-Diode den größten Spannungsabfall und eine Schwankungsbreite von 0,6 V über den erwarteten Strombereich auf. Bei der Schottky-Diode ist der Spannungsabfall geringer, doch auch hier variiert die Spannung um mehr als 0,4 V über den Strombereich. Am geringsten sind der Spannungsabfall und die Spannungsschwankungen bei den MOSFETs. Allerdings kosten diese Bauteile auch am meisten, und die erforderlichen Treiberschaltungen erhöhen die Kosten zusätzlich und vergrößern die Abmessungen der Stromversorgung.

Sobald man über die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern Bescheid weiß, kann man im nächsten Schritt die Windungszahl für die Sekundärwicklung des Übertragers bestimmen. Die verfügbare Schwankungsbreite des magnetischen Flusses durch Sättigung und Kernverluste legt die Mindestanzahl der Windungen fest. Von diesem Startwert ausgehend, lässt sich Tabelle 1 erstellen.

Tabelle 1: Große Schwankungen des Spannungsabfalls am Gleichrichter machen die Kreuzregelung zunichte.  (Bild: TI) Tabelle 1: Große Schwankungen des Spannungsabfalls am Gleichrichter machen die Kreuzregelung zunichte. (Bild: TI)

In Fall 1 beginnt die Tabelle mit einer Wicklung von einer Windung zwischen dem 3,3-V- und dem 5-V-Ausgang, wobei der 5-V-Ausgang auf der Grundlage eines perfekt geregelten 3,3-V-Ausgangs berechnet wird.

Bei den nominellen Spannungsabfällen für die Dioden und einer 3,3-V-Wicklung von zwei Windungen steigt die Spannung am 5-V-Ausgang auf 5,2 V, was einem Anfangsfehler von 4 % entspricht. Der Fehler verschlechtert sich infolge parasitärer Effekte in der Schaltung (z. B. Widerstände und Induktivitäten im Übertrager).

Fall 2 gibt die Spannungs-Extrema bei einem stark belasteten 3,3-V-Ausgang und einem nur leicht belasteten 5-V-Ausgang wieder. Der Fehler beläuft sich hier auf 13 %. In den Fällen 3 und 4 wurde die Schottky-Diode am 5-V-Ausgang durch eine Fast-Recovery-Diode ersetzt, wobei die Ergebnisse jedoch nicht gerade hervorragend sind. Im nominellen Fall ergibt sich zwar eine gewisse Verbesserung, doch unter ungünstigsten Umständen (Worst-Case) verschlechtert sich das Resultat um 20 %.

In den Fällen 7 und 8 wurde die Windungszahl angepasst, um eine bessere Kombination zu finden. So sind die Fälle 7 und 8 mit einem Anfangsfehler von etwa 5 % deutlich besser. Nachteilig an der Steigerung der Windungszahl ist, dass die Kupferverluste in der Sekundärwicklung wesentlich größer sind. Jede Windung halbiert den Flächenbedarf, und der Widerstand pro Windung verdoppelt sich.

Auch die Windungslänge wächst um den Faktor zwei, ebenso wie der Widerstand. Die Verbesserung des Anfangsfehlers muss mit viermal so hohen Verlusten in der Sekundärwicklung erkauft werden. Fall 9 macht deutlich, dass das beste Ergebnis mit MOSFETs erzielt wird, was auf den geringen Spannungsabfall dieser Bauelemente zurückzuführen ist. Bei den nominellen Spannungsabfällen liegt kein Anfangsfehler vor.

Als Resümee des eben Geschriebenen lässt sich festhalten: Die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern können die Kreuzregelung von Sperrwandlern mit geringer Ausgangsspannung und mehreren Ausgängen entscheidend beeinträchtigen. Verschärft wird dieses Problem, wenn die Lastströme stark variieren und folglich auch die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern großen Schwankungen unterliegen. Vorlasten können dazu beitragen, den Lastbereich zu verringern, jedoch muss man hierfür größere Verluste und einen schlechteren Wirkungsgrad hinnehmen. Die besten Regeleigenschaften erhält man mit Gleichrichtern, an denen nur geringe Spannungen abfallen.

Die besten Resultate stellen sich mit MOSFETs ein, die als Synchrongleichrichter genutzt werden, allerdings erhöht dies die Kosten, und auch Umfang und Komplexität der Schaltung nehmen zu. Auf dem nächsten Platz liegen die Schottky-Dioden, gefolgt von normalen Sperrschichtdioden. Ein iteratives Problem ist ferner die Festlegung der Windungszahlen für den Übertrager. Hier muss zwischen der Anfangsgenauigkeit und den Verlusten im Übertrager abgewogen werden.