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Grundlagen Runderneuerung für das Steckernetzteil

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Der weltweite Absatz von Mobiltelefonen nähert sich der Marke von zwei Milliarden Stück. Und so rücken die Größe, der Preis und der Wirkungsgrad der Ladegeräte für diese Produkte zunehmend ins Visier. Unter anderem Amazon und Apple haben in Sachen Größe und Ästhetik neue Maßstäbe gesetzt und gleichzeitig die Verlustleistung und den Preis der Ladegeräte geringer Leistung gesenkt.

Runderneuerung für das Steckernetzteil
Runderneuerung für das Steckernetzteil
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Möglich war dies mithilfe einer fortschrittlichen Schaltungstopologie und ausgeklügelter Regelungsmethoden. Der im lückenden Betrieb arbeitende Sperrwandler ist die populärste Topologie für Ladegeräte mit einer Leistung von 5 bis 10 W . Aus ihm ging der Quasiresonanz-Sperrwandler hervor, der einige Schaltverluste reduziert. Im lückenden Sperrwandler traditioneller Art ist die Schaltfrequenz stets konstant, und das Controller-IC variiert lediglich den Spitzenstrom im Leistungsübertrager.

Bild 1: Zur Verringerung der CU²-Verluste schalten Quasiresonanz-Sperrwandler den FET nur ein, wenn dessen Drainspannung ihr Minimum erreicht.  (Bild: TI) Bild 1: Zur Verringerung der Schaltverluste schalten Quasiresonanz-Sperrwandler den FET nur ein, wenn dessen Drainspannung ihr Minimum erreicht.

Somit gelangt pro Schaltzyklus jeweils eine bestimmte Energiemenge an den Verbraucher. Der Signalverlauf an der Drain des Leistungsschalters ist in Bild 1 zu sehen. Während des Ladeintervalls (dies ist jener Teil des Schaltzyklus, in dem die Spannung 0 V beträgt) wird Energie in der primärseitigen Induktivität gespeichert.

Sobald der Leistungsschalter abschaltet, fließt die Energie an die Sekundärseite, wo sie im Ausgangskondensator gespeichert und schließlich an den Verbraucher abgegeben wird. Ist der Leistungsübertrager entmagnetisiert, bricht die Drainspannung des FET zusammen und oszilliert um die Eingangsspannung. Nach dem traditionellen Verfahren wird der FET im nächsten Schaltintervall des FET eingeschaltet.

Dies geschieht unabhängig von der Drainspannung, die ihren Minimal- oder Maximalwert haben oder irgendwo dazwischen liegen kann. Die Verluste durch das Schalten dieser Spannung können beträchtlich sein und nicht selten eine Wirkungsgradeinbuße von 2 bis 3 % bewirken. Quasiresonanz-Sperrwandler minimieren die Schaltverluste, indem sie den FET nur dann einschalten, wenn die Drain-Spannung gerade ein Minimum aufweist.

Bild 2: Die Regelung des primärseitigen Spitzenstroms und die Frequenzmodulation ergeben einen höheren Wirkungsgrad über den Ausgangsleistungsbereich.  (Bild: TI) Bild 2: Die Regelung des primärseitigen Spitzenstroms und die Frequenzmodulation ergeben einen höheren Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung.

Neuere Regelungsmethoden beschränken sich jedoch nicht nur auf dieses ‚Valley-Switching‘. Bild 2 veranschaulicht, wie zwei Parameter (nämlich die Schaltfrequenz und der primärseitige Spitzenstrom) zum Regeln der Ausgangsspannung variiert werden. Bei voller Leistung wird der Wandler mit maximalem Spitzenstrom und maximaler Schaltfrequenz betrieben. Da sowohl die Ausgangsleistung als auch die Schaltverluste von der Schaltfrequenz des Wandlers abhängen, verläuft der Wirkungsgrad in dieser Betriebsart nahezu flach. Da das Valley Switching nach wie vor genutzt wird, ist die Schaltfrequenz des Wandlers nicht konstant.

Das Einschalten des Leistungs-FET erfolgt jeweils beim Minimum der Drainspannung, was eine durchschnittliche Schaltfrequenz wie in Bild 1 ergibt. Die Schaltfrequenz darf wegen der möglichen Geräuschentwicklung allerdings nicht beliebig reduziert werden, denn das Schalten des Wandlers kann in induktiven Bauelementen und Keramik-Kondensatoren zu hören sein. In vielen Fällen kann ein Absenken der Frequenz unter 10 bis 20 kHz unerwünscht sein, sodass man ein anderes Regelungskonzept vorzieht. Zum Regeln der Ausgangsspannung bei niedriger Ausgangsleistung wird hier bei Erreichen der vorgegebenen Mindestschaltfrequenz der Spitzenstrom im primärseitigen FET geregelt.

Bild 3: Ein fortschrittliches Controller-IC kommt dank primärseitiger Spannungsabtastung ohne Optokoppler aus.  (Bild: TI) Bild 3: Ein fortschrittliches Controller-IC kommt dank primärseitiger Spannungsabtastung ohne Optokoppler aus.

Bild 3 zeigt das typische Schaltbild eines 5-W-Ladegeräts mit universeller Eingangsspannung. Die recht einfache Schaltung benötigt weder eine Referenz noch einen Optokoppler zum Regeln der Ausgangsspannung. Als Rückkoppelinformation wird die an die primäre Bias-Wicklung reflektierte Ausgangsspannung verwendet. Die in Bild 1 gezeigte FET-Drainspannung spiegelt die Bias- und die Ausgangsspannung wieder.

Wenn die Drainspannung ansteigt, wird sie von der Ausgangsspannung zuzüglich der diodenbedingten und ohmschen Spannungsabfälle auf der Sekundärseite bestimmt. Die Drainspannung nimmt linear ab, während die reflektierte Induktivität über die Ausgangsdiode entladen wird. Wenn die Leitphase der Diode endet, entsprechen diese Spannung und die Spannung an der Bias-Wicklung der Ausgangsspannung zuzüglich eines Dioden-Spannungsabfalls. Die um diese reflektierte Spannung gebildete Regelschleife ergibt eine hinreichende Regelgenauigkeit von 3 bis 5 %.

Eine zusätzliche Herausforderung entsteht, wenn die Spannungsregelgenauigkeit von Wandlern dieser Art verbessert werden soll. Da das zu ladende Gerät über ein Kabel angeschlossen ist, kann der Spannungsabfall entlang dieses Kabels bei voller Ausgangsleistung erheblich sein. In der hier vorliegenden Implementierung schätzt der Controller die Ausgangsleistung anhand des Spitzenstroms im Leistungsschalter, sodass die Ausgangsspannung eingestellt werden kann, um den Spannungsabfall entlang des Kabels zu kompensieren.

Bild 4: Eine hohe Schaltfrequenz und fortschrittliche Regelungsmethoden verleihen diesem Offline-Ladegerät für Mobiltelefone minimale Abmessungen und geringste Verluste.  (Bild: TI) Bild 4: Eine hohe Schaltfrequenz und fortschrittliche Regelungsmethoden verleihen diesem Offline-Ladegerät für Mobiltelefone minimale Abmessungen und geringste Verluste. (Bild: TI)

Die reale Umsetzung der Stromversorgungsschaltung ist in Bild 4 zu sehen. Eine hohe Schaltfrequenz und fortschrittliche Regelungsmethoden führen zu erheblichen Verbesserungen gegenüber früheren Steckernetzteilen. Anstatt einer fest vorgegebenen Eingangsspannung ist die Schaltung jetzt für alle gängigen Netzspannungen geeignet, und die früher bei 1 W liegende Leistungsaufnahme ohne Last ist auf unter 30 mW gesunken.

Der vormals im Bereich von 50 % angesiedelte Wirkungsgrad beträgt jetzt mit Diodengleichrichtung ca. 80 % und mit Synchrongleichrichtung mehr als 85 %. Auch die Abmessungen und die Formgestaltung wurden deutlich verbessert.

Mithilfe fortschrittlicher Schaltungstechniken war es somit möglich, die einst recht klobigen Mobiltelefon-Ladegeräte zu unauffälligen, von einem herkömmlichen Stecker kaum zu unterscheidenden Produkten weiterzuentwickeln. Auch die Verlustleistung konnte deutlich verringert werden.

Angesichts der fast zwei Milliarden Mobiltelefone, die jährlich neu in die Hände der Konsumenten gelangen, ergibt dies eine Energieersparnis, die der Kapazität von ein paar Dutzend Kraftwerken entspricht. Genauere Informationen über einige neue Ladegeräte-Designs gibt es auf www.ti.com/pmp4335-ca, www.ti.com/pmp7389-ca und www.ti.com/pmp8286-ca.