Sperrwandler-Controller mit integrierter Leistungsfaktorkorrektur Sperrwandler und PFC in einem IC

Die Kombination eines Sperrwandler-Controllers mit einer Leistungsfaktorkorrekturstufe in einem IC vereinfacht nicht nur die Netzteilschaltung, sondern ermöglicht den Betrieb mit hohem Wirkungsgrad in jedem Lastfall.

Sperrwandler-Controller mit integrierter Leistungsfaktorkorrektur

Die Kombination eines Sperrwandler-Controllers mit einer Leistungsfaktorkorrekturstufe in einem IC vereinfacht nicht nur die Netzteilschaltung, sondern ermöglicht den Betrieb mit hohem Wirkungsgrad in jedem Lastfall.

Der „GreenChip III“ gehört zur dritten Generation der „grünen“ Steuerungs-ICs für getaktete Stromversorgungen. Er wurde für Notebook-Adapter konzipiert, bei denen eine Ausgangsleistung von mehr als 75 W benötigt wird. Im IC ist neben dem Sperrwandler-Controller ein Controller für die Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) integriert. Der hohe Integrationsgrad ermöglicht einen Aufbau von kostengünstigen Stromversorgungen mit nur wenigen externen Bauelementen. Die „grünen“ Funktionen dieses Netzteil- ICs sorgen für eine hohe Effizienz in den verschiedenen Lastbereichen. Das IC ermöglicht einen quasiresonanten Betrieb bei hoher Ausgangsleistung, den quasiresonanten Betrieb mit Überspringen des Spannungstales (Valley Skipping) bei mittlerer Leistung sowie den Betrieb mit reduzierter Schaltfrequenz bei niedriger Leistung. Unabhängig vom Betriebsmodus (Höhe der Ausgangsleistung) kann der Sperrwandler- Controller im Spannungstal schalten. Bei geringer Leistungsaufnahme (Standby) wechselt der PFC-Controller in einen Burst-Modus mit Soft-Start- und Soft-Stop-Funktion und erzielt so eine größtmögliche Rauscharmut.

Da das Controller-IC für Netzgeräte mit einer Ausgangsleistung von mehr als 75 W konzipiert wurde, ist eine Unterdrückung der Oberwellenanteile erforderlich. Für Ausgangsleistungen von über 150 W lässt sich ein Schaltnetzteil mit einem Sperrwandler und einem Hochsetzsteller (Boost Converter) als Leistungsfaktorkorrekturstufe zu äußerst niedrigen Kosten realisieren (Bild 1). Der Hochsetzsteller dient zur Unterdrückung der Oberwellenanteile, der Sperrwandler mit Potentialtrennung ist zuständig für die galvanische Trennung vom Netz und die Spannungstransformation.

Lastgesteuerter PFC-Controller

Um die Materialkosten zu minimieren, ist die PFC-Schaltung mit fester Ausgangsspannung konzipiert. Die Größe des Pufferelkos (C1) wird primär durch den Oberwellenstrom und nicht durch Netzunterbrechungen bestimmt. Ein PFC-Hochsetzsteller, bei dem die Ausgangsspannung in Relation zur Eingangsspannung steht, würde in Verbindung mit einem Sperrwandler einen größer dimensionierten Pufferelko erfordern. Da Elkos kostenintensive Bauteile sind, wurde der PFC-Schaltung mit fester Ausgangsspannung der Vorzug gegeben.

Die maximale Schaltfrequenz des Sperrwandler-Controllers liegt bei 125 kHz. Die Begrenzung der Schaltfrequenz erfolgt, um Störabstrahlungen (EMI, Elektromagnetische Interferenz) und Schaltverluste wirksam zu reduzieren. Bei einer mittleren Ausgangsleistung arbeitet der Controller mit seiner maximalen Frequenz und schaltet in den diskontinuierlichen Betrieb mit Überspringen des Spannungsminimums um. Auch hier werden die Schaltverluste begrenzt, indem der externe Leistungs- MOSFET während eines Spannungsminimums eingeschaltet wird, d.h. bei minimaler Drainspannung. Sobald die Ausgangsleistung unter einen bestimmten Wert sinkt, schaltet der Sperrwandler-Controller in den Frequenzreduzierungs- Modus um. In diesem Modus wird die Frequenz durch einen spannungsgesteuerten Oszillator geregelt. Dabei kann die Frequenz bis auf 0 Hz gesenkt werden. Da die Schaltfrequenz im Niederfrequenzbereich angesiedelt sein kann, wird der primärseitige Spitzenstrom zur Rauschunterdrückung auf einen Maximalwert gesetzt. Für eine größtmögliche Effizienz erfolgt auch hier das Einschalten des externen Leistungs-MOSFETs während eines Spannungsminimums. Wenn sich der Sperrwandler-Controller im frequenzreduzierenden Modus befindet, wechselt der PFC-Controller in den Burst- Modus.

Bild 7 zeigt ein Schaltbild für ein externes Notebook-Netzteil mit dem TEA1750T (GreenChip III). Wie aus dem Schaltbild ersichtlich, kann das Netzgerät mit sehr wenigen externen Bauelementen realisiert werden. Der Sperrwandlertrafo Tr2 hat eine Hilfswicklung, die dem Controller den Spannungsverlauf zum Erkennen eines Spannungsminimums bereitstellt.

Der GreenChip-III-Controller für Schaltnetzteile ermöglicht eine deutliche Kostenreduzierung bei kleinen externen Netzteilen wie z.B. für Notebooks. Darüber hinaus bietet er in allen Betriebsmodi einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Dafür sorgt auch die Kommunikation zwischen dem Hochsetzsteller (PFC) und dem Sperrwandler. hs