Und Aus!

Ein einfacher Weg, den Wirkungsgrad eines PWM-Wandlers mit niedriger Ausgangsspannung zu erhöhen, ist die Synchrongleichrichtung.

Ein einfacher Weg, den Wirkungsgrad eines PWM-Wandlers mit niedriger Ausgangsspannung zu erhöhen, ist die Synchrongleichrichtung. Die MOSFETs zur Synchrongleichrichtung eigengetrieben anzusteuern hat einige entscheidende Vorteile. Allerdings handelt man sich beim Ausschalten des Wandlers ein unerwünschtes Verhalten ein, das sogar dazu führen kann, dass die MOSFETs zerstört werden.

Nach dem Ausschalten des Wandlerschaltkreises folgt eine kurze Phase ohne Schalten, gefolgt von einer längeren Phase mit Schaltpulsen, obwohl das Wandler-IC kein Signal mehr sendet. Dieses abnorme Verhalten (Bild 1) gibt Anlass zur Sorge.

Am Anfang dieser Betrachtung arbeitet der Wandler im eingeschwungenen Zustand und Strom fließt, in Bild 2 durch den Pfeil unter der Ausgangsspule LOUT angedeutet, zum Ausgang. Der Strom in der Ausgangsspule LOUT setzt sich durch den Ausgangsstrom IOUT und eine überlagerte Restwelligkeit zusammen. Sobald der MOSFET Q2 angeschaltet ist und Strom führt, liegt die Eingangsspannung VIN am Transformator T1 zwischen den Pins 1 und 2 an. Daraus resultiert eine positive Spannung zwischen den Pins 4 und 3, wodurch Q3 eingeschaltet wird und sich ein kleinerer Spannungsabfall ergibt, als wenn der Strom allein durch die Substratdiode flöße. Da die Spannung an T1 größer ist als die Ausgangsspannung, steigt der Strom durch LOUT an.

Kurz nachdem Schalter Q2 ausschaltet, wird Q1 eingeschaltet und die Spannung über die Primärwicklung von T1 dreht sich um, wodurch Q3 ausschaltet und Q4 leitend wird. Dadurch kann der Strom durch die Ausgangsspule LOUT weiter fließen, allerdings nun nicht mehr durch den Transformator T1, sondern durch den Schalter Q4. Pin 1 von LOUT wird auf Masse gezogen und der Strom durch die Spule reduziert sich, daraus resultiert die Welligkeit an LOUT. Der gesamte Zyklus ist beendet, wenn Q1 wieder aus- und Q2 einschaltet. Der nächste gleichartige Zyklus beginnt und der Energietransfer im eingeschwungenen Zustand vom Eingang zum Ausgang geht vonstatten.

Wird nun das Wandler-IC irgendwann in diesem Zyklus unterbrochen, beispielsweise wie in den Bild 3 durch Unterspannung am Eingang, zeigt der Wandler auf der Sekundärseite ein unerwünschtes und problematisches Verhalten, wenn die Ausgangsspannung größer ist als die Schwellenspannung der MOSFETs. Das Ausschalten des Wandlerbausteins am Punkt A (Bild 3) lässt den Spulenstrom durch LOUT sinken (Punkt B). Solange Q1 eingeschaltet ist, vermindert sich der Strom laut der Formel VOUT/LOUT. An Punkt C sperrt Q1 und durch den Magnetisierungsstrom wechselt die Polarität am Transformator T1. In der Folge sehen sowohl Pin 4 von T1 als auch Drain von Q4 und das Gate von Q3 positive Spannung (Punkt D). Dadurch schaltet Q4 aus und Q3 wird leitend. Damit stellt sich am Pin 4 von T1 eine Spannung ein, welche sich durch die sekundärseitige Induktivität und das Verhältnis von Primär- zu Sekundärwicklung (etwa 5:1 in diesem Fall) des Transformators und die Ausgangsspannung bestimmt. Außerdem wird dieser Widerstandsteiler durch den restlichen Magnetisierungsstrom in T1 beeinflusst, sodass das Ergebnis nicht ganz genau dem vermuteten entspricht.

Der Magnetisierungsstrom verursacht ein parasitäres Schwingen im Bereich E von Bild 3, welches sich auch als Spannung am Drain des Schalters Q4 zeigt. Durch diese erhöhte Drain-Spannung an Q4 sinkt der Spulenstrom durch LOUT weniger stark, zusätzlich wird das Gate von Q3 positiv gezogen, sodass der MOSFET leitend bleibt. Die angesprochene Schwingung im Bereich E ist allerdings stark gedämpft und damit sehr kurzlebig.

Da Q3 eingeschaltet ist, formen LOUT und die Sekundärwicklung von T1 einen induktiven Teiler, sodass der Strom weiter fällt. Dadurch bleibt die positive Spannung am Drain von Q4 und damit am Gate von Q3 erhalten, dieser Zustand bleibt lange genug erhalten, damit der Strom am Punkt F den Wert Null erreicht und danach negativ (im Vergleich zum Pfeil an LOUT) wird. Der Strom durch die Ausgangsspule LOUT wächst in negativer Richtung solange an, bis die Spannung am Drain von Q3 – und damit auch die Gate-Spannung von Q4 – so weit steigt, dass Q4 leitend wird (Punkt G).