Schaltungspraxis - Schaltnetzteil Primärseitig geregelter, quasiresonanter Sperrwandler

Referenzdesign für ein primärseitig geregeltes quasireseonantes Sperrwandler-Netzteil mit zwei Ausgängen.
Referenzdesign für ein primärseitig geregeltes quasireseonantes Sperrwandler-Netzteil mit zwei Ausgängen.

Sperrwandler mit primärseitiger Regelung können statt Optokoppler auch eine Hilfswicklung im Übertrager nutzen, um die Ist-Größe für den Regler zu erhalten. Sie sind relativ einfach zu realisieren, mit wenigen Komponenten, und können sogar mehrere Ausgänge regeln.

Kennzeichnend für einen primärseitig geregelten Sperrwandler ist, dass er keinen Optokoppler benötigt. Stattdessen wird der Regelkreis durch magnetische Rückkopplung über die Wicklung geschlossen, die zur Versorgung der Regelschaltung mit Kleinspannung dient. Ein einfacher Spannungsteiler (R1 und R2 in Bild 1) genügt um die Information für das Regeln der Ausgangsspannung zu erzeugen. Dank dieser Einfachheit zählt der primärseitig geregelte Sperrwandler zu den Schaltreglern, die eine galvanische Isolation zu niedrigen Kosten bieten.

Ein gutes Beispiel für eine solche Schaltung ist das Referenzdesign PM10168 [1] des Power Reference Design Teams von Texas Instruments. Dort wird ein primärseitig geregelter, quasiresonanter Sperrwandler genutzt, um aus einer Wechselspannung am Eingang, zwei Ausgangsspannungen zu erzeugen, die galvanisch von der Primärseite getrennt sind.

Das Prinzip der primärseitigen Regelung

Die Versorgungswicklung (Bild 1) ist phasengleich mit der Ausgangswicklung verschaltet und dient vier Hauptzwecken. Sie liefert die Versorgungsspannung für den Regler, misst die Eingangsspannung während der Einschaltzeit des primärseitigen Leistungs-MOSFET, erfasst die Entmagnetisierungszeit des Übertragers, um den lückenden (diskontinuierlichen) Betrieb (Discontinuous Conduction Mode – DCM) zu gewährleisten und stellt schließlich auch die nötige Information zur Regelung der Ausgangsspannung zur Verfügung.

Wie funktioniert das? Bild 2 gibt den Verlauf der Spannung an der Versorgungswicklung wieder, der sich in drei Abschnitte gliedern lässt, nämlich die Einschaltzeit Tein des Leistungs-MOSFET, die Entmagnetisierungszeit Tentmag des Übertragers und die diskontinuierliche Zeit Tdis.

Während Tein ist der primärseitige Leistungs-MOSFET eingeschaltet und die Spannung an der Versorgungswicklung berechnet sich aus dem Produkt der Eingangsspannung und dem Windungsverhältnis. Dies ermöglicht es dem Schaltregler-IC eine zu kleine Eingangsspannung zu erkennen und abzuschalten. Der wichtigste Abschnitt für die primärseitige Regelung im Spannungsverlauf ist während Tentmag, denn während dieser Zeitspanne wird die im Übertrager gespeicherte Energie an die Sekundärseite, d. h. an den Ausgang übertragen. Unmittelbar nach dem Sperren des Leistungs-MOSFETs ist eine Spannungsspitze zu beobachten, die durch die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie entsteht. Eine Snubber-Schaltung ist nötig, um diese Spannungsspitze und das anschließende Schwingen zu dämpfen. Im Anschluss an die Spannungsspitze nimmt die Spannung an der Versorgungswicklung ab.

Die Spannung an der Versorgungswicklung hängt von der Ausgangsstromstärke ab, die vom Serienwiderstand des Ausgangskondensators, der Ausgangsdiode und – was am wichtigsten ist – von der Sekundärwicklung abhängt. Die Spannung an der Versorgungswicklung wird deshalb in jedem Zyklus nur ein einziges Mal abgetastet (Bild 2), um die Abhängigkeit von der Sekundärstromstärke zu unterbinden. Der Abtastzeitpunkt ist dabei von größter Wichtigkeit. Dieser befindet sich unmittelbar am Ende der Entmagnetisierungszeit, wenn der Sekundärstrom null wird. Der Schaltregler-IC bestimmt den Abtastzeitpunkt jedoch automatisch, sodass sich der Entwickler hiermit nicht befassen muss.

Das dritte Zeitsegment ist schließlich Tdis. Im Übertrager verbleibt keine Energie mehr, nachdem der Sekundärstrom null geworden ist, doch in der parasitären Kapazität am Knoten, der den Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs mit der Primärwicklung verbindet, ist noch Energie gespeichert, die zusammen mit der Primärinduktivität eine Schwingung verursacht. Der Quasiresonanz-Sperrwandler (QR) schaltet im Tal dieser Schwingung, wenn die Drain-Source-Spannung ihr Minimum erreicht und die Schaltverluste geringer sind.

Für Sperrwandler stehen noch andere Modulationsverfahren zur Verfügung. Ein primärseitig arbeitender Schaltregler-IC aber moduliert die Schaltfrequenz oder den Scheitelwert des Primärstroms – allerdings nicht gleichzeitig. Die Primärinduktivität und das Windungsverhältnis des Übertragers definieren die maximale Schaltfrequenz und die Betriebsart. Es empfiehlt sich, das Datenblatt des Schaltregler-ICs genau zu lesen und die Hinweise für einen optimalen Übertrager zu beachten.