All-in-One-Controller von Analog Devices Integriert und isoliert für energieeffiziente Durchflusswandler

Präzise Schaltzeiten und hohe Wirkungsgrade mit einem All-in-One-Kontrollbaustein.
Präzise Schaltzeiten und hohe Wirkungsgrade mit einem All-in-One-Kontrollbaustein.

Mit der Integration digitaler Koppler (iCoupler) in einen Leistungswandler-Controller ist es gelungen, einen All-in-One-Kontrollbaustein für galvanisch isolierte DC/DC-Wandler zu entwickeln. Damit werden präzise Schaltzeiten und hohe Wirkungsgrade erzielt. Und das Prinzip bietet weitere Vorteile.

Durchflusswandler gehören zur beliebtesten Leistungswandler-Topologie, da sie einen hohen Wirkungsgrad und einen niedrigen Rauschpegel der Ausgangsspannung bei akzeptablen Kosten vorweisen können. Deshalb benutzen Schaltnetzteile im Leistungsbereich über 50 W mehrheitlich diese Art von Topologie. Moderne elektronische Systeme benötigen heute niedrige Versorgungsspannungen, was zur Folge hat, dass die Versorgungsströme schnell Werte von 100 A übersteigen können. Um den Wirkungsgrad zu steigern, werden im sekundären Kreis des Wandlers neuartige synchrone Gleichrichter anstelle von Schottky-Dioden benutzt [1]. Diese synchronen Gleichrichter können für niedrige Ausgangsspannungen selbst angesteuert werden [2]. Für höhere Ausgangsspannungen und für besonders effiziente Wandler werden komplexe Ansteuermethoden verwendet, um ein optimales Schaltverhalten dieser Gleichrichter zu erzielen [3]. Für eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades werden zusätzliche Schaltungen verwendet, die die Spannung an der primären Wicklung des Leistungsübertragers aktiv klemmen [4]. So wird die Energie, die in parasitärer Streuinduktivität gespeichert wurde, zurückgewonnen.

In galvanisch isolierten DC/DC-Wandlern werden traditionell Optokoppler für die Schließung der Regelschleife verwendet. Weil der CTR (Current Transfer Ratio) von Optokopplern stark mit Zeit und Temperatur degradiert, verändert sich die Verstärkung der Regelschleife. Das führt zu Veränderungen der Ausgangsspannung und zu einer Verschlechterung der Regelung der Ausgangsspannung.

Für die Ansteuerung der synchronen Gleichrichter werden traditionell Transformatoren oder auch Optokoppler benutzt. Die Transformatoren sind sperrig und stehen der Miniaturisierung im Wege. Die Optokoppler haben längere und nicht konstante Verzögerungszeiten, was wiederum zu längeren Totzeiten in der Ansteuerung der synchronen Gleichrichter führt. Die langen Totzeiten reduzieren den Wirkungsgrad.

Verwendung digitaler Magnetkoppler

Beim neuartigen Controller ADP1074 handelt es sich um einen primärseitig getakteten PWM, der einen Hauptschalter, einen Aktive-Klemmung-Schalter sowie zwei synchrone Gleichrichter ansteuert. Der Controller bietet eine intelligente Ansteuerung aller Schalter sowie interne galvanisch isolierte Kommunikation in einem Gehäuse. Das prinzipielle Blockschaltbild wird in Bild 1 dargestellt.
Die bidirektionale Kommunikation wird mit Hilfe der iCoupler-Technologie realisiert. Die Signalübertragung findet mit Hilfe von Mikro-Transformatoren statt, die sehr hohe Bandbreiten und kurze Verzögerungen auch bei hohen Temperaturen erlauben [5].
IC1 ist der Masterchip. Hier werden die Signale für den Hauptschalter, für den Aktive-Klemmung-Schalter und für die synchronen Gleichrichter generiert. Die Signale für die synchronen Gleichrichter werden unter Berücksichtigung der optimalen Totzeiten wiederum mit Hilfe der digitalen Koppler (Ch2) auf die sekundäre Seite zum Slave-IC (IC2) gesendet. Die Signale für SR1 und SR2 werden hier aufbereitet und verstärkt. Die Ausgangsspannung wird mit Hilfe eines resistiven Spannungsteilers gemessen (FB) und mit einer präzisen Referenzspannung verglichen. Das Fehlersignal wird mittels eines digitalen Isolators (Ch1) auf die primäre Seite zur PWM-Einheit übertragen. Zahlreiche Steuersignale werden auf beiden Chips benutzt, um die Programmierung des Controllers zu ermöglichen. Es können folgende Parameter programmiert werden:

  • Arbeitsfrequenz
  • Maximales Tastverhältnis PWM
  • Soft-Start und Soft-Stopp
  • Totzeiten: Hauptschalter zur aktiven Klemmung und zu SR1, SR2
  • Stromschwelle für den Teillastbereich
  • Stromschwelle für Überstromschutz
  • Spannungsschwelle für Überspannungsschutz am Ausgang
  • Minimale Einschaltspannung am Eingang
  • Rampensteilheit des Kompensators (für D > 50 %)
  • Verstärkung/Zeitkonstante des Kompensators der Regelschleife

Durch den komplexen sekundärseitigen Controller IC2 befindet sich die Überwachung des Systems nahe bei der Last. Das gewährleistet eine zuverlässige Regelung und Überwachung mit kürzestmöglichen Einschwingzeiten. Überwachungssignale der sekundären Seite werden mit den Signalen der Regelschleife im Ch1 gemultiplext und mit der höchsten Priorität auf die primäre Seite übertragen. Dadurch ist ein schneller Überlast- und Überspannungsschutz am Ausgang gewährleistet.