Schwerpunkte

Leistungswandler - Teil 3

Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen

06. August 2019, 14:55 Uhr   |  Von Dr. Heinz Zenkner

Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen
© Würth Elektronik

Im dritten Teil der Serie folgt ein Praxisbeispiel: ein DC/DC-Wandler, der drei voneinander isolierte Ausgangsspannungen zur Verfügung stellt.

In einer Serie von Aufsätzen widmet sich Dr. Heinz Zenkner umfassend dem Thema gekoppelte Induktivitäten. Nach Funktion, Vor- und Nachteilen sowie der prinzipiellen Anwendung (Teil 1 [1]) und verschiedenen DC/DC-Wandlerschaltungen (Teil 2 [2]) folgt jetzt ein konkretes Praxisbeispiel.

Viele Mixed-Signal-Schaltungen benötigen verschiedene Versorgungsspannungen, wobei es bei der Stromversorgung in den meisten Fällen nicht auf eine mV-genaue Regelung der Ausgangsspannung ankommt, sondern vielmehr darauf, dass die Spannungen voneinander galvanisch entkoppelt sind. Eine gute Schaltung für diese Anforderung ist ein Abwärtswandler mit mehreren Ausgängen, auch »Fly-Buck« genannt, der einfach, günstig und zuverlässig arbeitet. Das Prinzip dieser Schaltung wurde schon im zweiten Beitrag [2] vorgestellt, in Bild 1 ist noch einmal die Prinzipschaltung gezeigt.

Im folgenden Beispiel wird als Controller der IC LM5160 [3] von Texas Instruments eingesetzt, ein 65 V, 2 A Abwärtsregler mit Synchrongleichrichter und integrierten Leistungs-MOSFETs. Ein interner Rückkopplungs-Regelkreis hält die Ausgangsspannung innerhalb einer Genauigkeit von ±1 %. Der LM5160 kann im sogenannten nichtlückenden Betrieb (CCM, Continuous Conduction Mode) arbeiten (FPWM-Pin auf UB klemmen, d.h. mit UB-Pin (VCC) verbinden), so wird das Regeln der Ausgangsspannungen für DC/DC-Wandler mit gekoppelten Induktivitäten unterstützt. Die Beschaltung des DC/DC-Wandler-ICs ist in Bild 2 dargestellt

Die Schaltung in Bild 2 wird um die gekoppelte Induktivität so erweitert, dass zusätzliche Ausgangsspannungen generiert werden können. Der eigentliche »Trick« für eine erfolgreiche Schaltung ist die Spezifikation oder die Auswahl der gekoppelten Induktivität. Das komplette Schaltbild zeigt Bild 3.

Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen - Teil 3

Vereinfachte Schaltung eines isolierenden Abwärtswandlers mit gekoppelter Induktivität
Prinzipielle Beschaltung des Abwärtswandler-ICs LM5160 im nichtlückenden Betrieb
Schaltbild des Abwärtswandlers mit dem LM5160 für drei voneinander isolierte Ausgangsspannungen

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Dank der hohen Nennstromstärke (IR) von 3,8 A erlaubt die Drossel einen sicheren Betrieb in der Schaltung, mit genügend Reserve. Grund für die Reserve ist das in der Schaltung mögliche hohe Tastverhältnis, das hohe Spitzenströme zur Folge hat und damit die Induktivität in die Sättigung treiben kann. Die vollständigen elektrischen Daten der Drossel WE-MCRI sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die elektrischen Kenngrößen der Doppel-Induktivität WE-MCRI 744 899 01 50, die in der Abwärtswandlerschaltung aus Bild 3 eingesetzt wird
© Dr. Heinz Zenkner

Tabelle 1. Die elektrischen Kenngrößen der Doppel-Induktivität WE-MCRI 744 899 01 50, die in der Abwärtswandlerschaltung aus Bild 3 eingesetzt wird.

Als Diode für den Gleichrichter auf der Sekundärseite wurde die MBRS4201 von ON Semiconductor gewählt. Die Diode ist eine Fast Soft-Recovery Schottky-Diode, die im Sperrverzögerungsbereich besonders wenige »EMV-Störungen« erzeugt.
Im Schaltbild ist zwischen Masse2 und Masse3 keine Brücke eingezeichnet.

Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden Massen verbunden werden können, um eine gemeinsame Bezugsmasse zu erhalten – oder dass ein positiver Ausgangsanschluss mit einem negativen Ausgangsspannungsanschluss verbunden wird, z.B. zur symmetrischen Spannungsversorgung von Operationsverstärkern.

Sperrwandler mit galvanisch getrennten Ausgängen

Die Schaltung nach Bild 3 erlaubt drei voneinander galvanisch getrennte Ausgangsspannungen. Durch die Wahl der Widerstände R4, R5 (siehe [3]) und die Verschaltung und Wahl der gekoppelten Induktivitäten ergeben sich die verfügbaren Spannungen bei einer Eingangsspannung UE = +24 V an den Ausgängen wie in Tabelle 2 aufgeführt.

 Die Ausgangsspannungen des Abwärtswandlers aus Bild 3 mit verschiedenen Lasten
© Dr. Heinz Zenkner

Tabelle 2. Die Ausgangsspannungen des Abwärtswandlers aus Bild 3 mit verschiedenen Lasten.

Der Fly-Buck Converter ist toleranter gegen Streuinduktivität als ein Sperrwandler, was hinsichtlich Störemission zu einem vergleichsweise gutartigen Verhalten führt. Im Gegensatz zum Sperrwandler verhindert der Abwärtswandler mit mehreren voneinander isolierten Ausgangsspannungen ein Überschwingen bzw. Oszillieren (Ringing) am Schaltknoten, dem Verbindungpunkt der beiden Leistungs-MOSFETs im IC, an den die Drossel angeschlossen wird. Dadurch ergibt sich im Frequenzbereich zwischen 30 MHz und 300 MHz eine niedrigere Störemission, was die EMV-Filterung erleichtert.

Niedrige Störemmisionen

In Bild 4 sind die im Betriebszustand 5 (siehe Tabelle 2) gemessenen Wellig­keiten der Ausgangs- bzw. Eingangsspannung gezeigt. Die in den Diagrammen ersichtlichen Spannungsspitzen auf der Sekundärwicklungsspannung entstehen durch die parasitäre Streuinduktivität des Übertragers.

Eingangs- und Ausgangsspannungen des Abwärtswandlers, Bild 4

Oben zu sehen, die auf der Eingangsspannung (UE = +24 V) der Abwärtswandlerschaltung aus Bild 3 gemessenen Störungen im Betriebszustand 5
 Im gleichen Betriebszustand lassen sich am Ausgang UA1 (+5,31 V an RL = 25 Ω, entsprechend IL = 200 mA) Störspannungen mit einer maximalen Amplitude von über 200 mV messen
Am Ausgang UA2 zeigt die Spannungswelligkeit im Betriebszustand 5 mit UA2 = –15,41 V an RL = 77 Ω und  einem Laststrom von IL = 200 mA höhere negative Spitzenwerte

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Unter Lastbedingung mit langen Zuleitungen zu den Lasten sind die Oszillogramme (Bilder 4a bis 4d) erfasst worden, die Störungen vom Schaltwandler betragen bis zu 650 mVss (UA2). Mit einer zusätzlichen Filterung lassen sich diese Störungen effektiv reduzieren. In Bild 5 ist die Wirkung des Filters erkennbar. Es zeigt die Spannungswelligkeit am Ausgang UA2, die Schaltung des verwendeten Filters und den Impedanzverlauf der Filterdrossel zeigt Bild 6.

Der Einsatz eines Filters (Bild 6) kann die Spannungswelligkeit am Ausgang deutlich reduzieren. Das Beispiel zeigt die Welligkeit am Ausgang UA2 im Betriebszustand 5 – analog Bild 4 – mit zusätzlichem Filter
© Dr. Heinz Zenkner

Bild 5. Der Einsatz eines Filters (Bild 6) kann die Spannungswelligkeit am Ausgang deutlich reduzieren. Das Beispiel zeigt die Welligkeit am Ausgang UA2 im Betriebszustand 5 – analog Bild 4 – mit zusätzlichem Filter.

Filterschaltung (oben) für die Ausgangsspannung,  wie er für die Messung in Bild 5 für UA2 eingesetzt wurde,  und Impedanzverlauf (unten) der im Filter verwendeten  Drossel L1 (WE-PD 744778222 von Würth Elektronik eiSos)
© Dr. Heinz Zenkner

Bild 6. Filterschaltung (oben) für die Ausgangsspannung, wie er für die Messung in Bild 5 für UA2 eingesetzt wurde, und Impedanzverlauf (unten) der im Filter verwendeten Drossel L1 (WE-PD 744778222 von Würth Elektronik eiSos). Die Kondensatoren sind ebenfalls von Würth: C1 ein MLCC (WCAP-CSGP 885012206121) und C2 ein Elko (WCAP-PSHP 875115655013).

Die Drossel im Filter ist eine »Speicherdrossel« mit hoher Induktivität und wird normalerweise im Bereich der DC/DC-Wandler eingesetzt. Durch den Luftspalt ist jedoch die mögliche Nenn­stromstärke (IN) bezogen auf die Baugröße hoch und durch ihren Aufbau liegt die Resonanzfrequenz bei 5 MHz, was hier zu einer sehr hohen Einfügungsimpedanz und dadurch zu einer hohen Dämpfung führt.

Die nachgeschalteten Kondensatoren bilden zusammen mit der Drossel einen wirksamen Tiefpass. Die am Oszilloskop (Bild 5) noch sichtbaren Störungen sind, bedingt durch den »fliegenden Laboraufbau«, über die Masse eingekoppelt worden und lassen sich durch eine gerätebezogene Masse von Spannungsquelle, Wandler, Filter und Last noch deutlich reduzieren.


Literatur

[1] Zenkner, H.: Leistungswandler: Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen. Elektronik 2019, H. 9, S. 30–35. www.elektroniknet.de/elektronik/power/gekoppelte-induktivitaeten-und-ihre-anwendungen-164807.html.

[2] Zenkner, H.: Induktivitäten für Leistungswandler: Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen. Elektronik 2019, H. 12, S. 44–48. www.elektroniknet.de/elektronik/e-mechanik-passive/gekoppelte-induktivitaeten-und-ihre-anwendungen-166492.html.

[3] LM5160, LM5160A Wide Input 65-V, 2-A Synchronous Buck / Fly-Buck DC/DC Converter. Texas Instruments, Datenblatt, Oktober 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5160a.pdf.

Der Autor

Dr.-Heinz-Zenkner
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Dr. Heinz Zenkner

Dr. Heinz Zenkner

hat Elektrotechnik mit Schwerpunkt Hochfrequenztechnik studiert und im Fachbereich Hochfrequenztechnik promoviert. Er ist seit vielen Jahren öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

Neben zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen tritt Dr. Zenkner auch als Autor in einer Vielzahl von Werken zur EMV in Erscheinung. In seiner beruflichen Laufbahn hat er als Dozent an verschiedenen Universitäten gearbeitet und Seminare an der IHK geleitet.

Seit vielen Jahren beschäftigt er sich mit industrieller Elektronik, von der ersten Idee eines Produktes bis hin zur Serienproduktion. Für seinen Fachaufsatz »Der Weg zur professionellen Schaltung« wurde Dr. Zenkner 2019 von der Redaktion Elektronik als Autor des Jahres ausgezeichnet.

emc.expert@we-online.com

EMV - Grundlagen in der Praxis
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