Im eigenen Takt Synchrongleichrichter für Stromversorgungen

Im Bereich der Unterhaltungselektronik mit seinen hohen Stückzahlen ist es besonders wichtig, die Normen und Regularien bezüglich Verlustleistung zu erfüllen. In diesem Sinne werden die AC/DC-Topologien der Netzgeräte auch mit dem Ziel überarbeitet, die Verluste sowohl im aktiven Betrieb als auch im Standby-Modus zu verringern.

Von den Topologien, die für Netzteile im Leistungsbereich von 10 W bis 60 W geeignet sind, stellen Sperrwandler die Technik der Wahl dar, weil sie mit einer geringen Anzahl von Bauelementen auskommen und sich einfach steuern lassen. Timing-Aspekte erschweren es, die verlustbehaftete Dioden-Gleichrichtung auf der Sekundärseite eines typischen Sperrwandlers durch eine effiziente Synchrongleichrichtung zu ersetzen. Ein Ansatz mit Selbst-Timing überwindet diese Probleme und hilft den Herstellern von Stromversorgungen für Set-Top-Boxen, die Wirkungsgrad-Standards zu erreichen, die etwa das Energy-Star-Programm vorschreibt.

Typischerweise besteht eine universelle Netzstromversorgung für Set-Top-Boxen aus einer Gleichrichterstufe am Eingang mit Glättungskondensator, gefolgt von einem isolierten Wandler. Dieser wandelt die hohe Zwischenkreisspannung so effizient wie möglich in niedrige Spannungen, welche die verschiedenen Lasten benötigen. Von den verfügbaren isolierten Wandlertopologien ist ein Sperrwandler mit mehreren Wicklungen auf der Sekundärseite des Transformators die meistgenutzte Variante.

In letzter Zeit hat jedoch die Komplexität der Set-Top-Boxen immer mehr zugenommen, was deutlich härtere Anforderungen an die Leistungsdichte und die Verlustleistung im aktiven Betrieb zur Folge hat. Die Entwickler müssen jetzt von Sperrwandlern mit Mehrfachausgang auf Sperrwandler mit nur einem Ausgang (siehe Bild 1) umstellen, um die erforderlichen Leistungsmerkmale zu erzielen. Der Sperrwandler liefert dann 12 V am Ausgang. Nichtisolierte Abwärtswandler erzeugen anschließend aus dieser Spannung die kleineren Spannungen, welche die verschiedenen internen Peripherieelemente benötigen. Hierfür kommen POL-Wandler (Point of Load) zum Einsatz.

Synchron-Gleichrichtung

Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang, dass der Ausgangsgleichrichter eines Sperrwandlers auch im Durchlassbereich eine signifikante Quelle von Leistungsverlusten darstellt, weil selbst die allerbesten Schottky-Dioden eine relativ hohe Vorwärtsspannung bei großen Strömen aufweisen. Daher ist die Synchrongleichrichtung mittlerweile als probates Mittel anerkannt, um den schlechten Wirkungsgrad der herkömmlichen Dioden-Gleichrichtung zu verbessern.

Eine präzise Regelung der Gate-Ansteuerung ist für die Synchrongleichrichtung von essenzieller Bedeutung, und hierbei sind drei unterschiedliche Regelungsverfahren möglich: Das erste Verfahren synchronisiert mit Hilfe von Impulsübertragern die Signale zur Ansteuerung des Gates am sekundären MOSFET-Gleichrichter mit der Gate-Ansteuerung für den auf der Primärseite vorhandenen MOSFET.

In einer Sperrwandlertopologie mit Multi-Mode-Betrieb ist es bei dieser Methode jedoch schwierig, Signale zur Ansteuerung des Gates auf der Sekundärseite zu erzeugen, die über den gesamten Lastbereich hinweg nutzbar sind. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass der Wandler bei geringer Last in einem »Pulse-Skipping«-Modus arbeitet, sodass durch den Ausgangsgleichrichter der Strom nicht kontinuierlich fließt; es gibt somit einen Zeitbereich ohne Stromfluss zwischen Primär- und Sekundärseite.

Die daraus resultierende Fehlanpassung des Timings hat zur Folge, dass eine Blindleistung zwischen dem Ausgang und dem Leistungstransformator transportiert wird, weil sich der Ausgangskondensator während des nicht kontinuierlichen Gleichrichter-Intervalls entlädt, was wiederum zu Ineffizienzen führt. Auf Grund dieser Ineffizienzen ist diese Betriebsweise im Wesentlichen auf Sperrwandler beschränkt, die speziell für den Betrieb über einen sehr engen Lastbereich entwickelt wurden.

Ein alternatives Verfahren nutzt ein Signal, das von der Sekundärseite des Transformators abgeleitet wird, um einen synchronen MOSFET anzusteuern. Dieser Ansatz misst den synchronen MOSFET-Strom mit einem Stromübertrager und einem schnellen Komparator. Das Signal vom Komparator dient anschließend dazu, den Sekundär-MOSFET über Treibertransistoren anzusteuern.

Obwohl der MOSFET sich abhängig vom Status seines Stroms ein- oder ausschalten lässt, kann diese Methode dennoch Nachteile haben, bedingt durch die hohe Schaltungskomplexität und durch die Zeitverzögerung des Komparators.

Bild 2 zeigt daher den neusten Ansatz, bei dem eine verlustlose Messung der Drain-Spannung dazu dient, derartige Probleme zu umgehen. Dieses Verfahren verbessert den Wirkungsgrad bei der Wandlung, während es gleichzeitig die Systemkosten senkt, indem man auf den Stromübertrager und den diskreten Komparator verzichten kann.

Synchron-Controller mit Selbst-Timing

Bei dem hier beschriebenen »ZXGD3105« handelt es sich um ein synchrones Controller-IC für die Sekundärseite, das sehr eng am MOSFET arbeitet, der die herkömmliche Schottky-Diode ersetzt. Das IC misst den Strom mit Hilfe des Spannungsabfalls zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen des MOSFETs. Genau genommen erkennt es den Abfall der Vorwärtsspannung der parasitären Diode innerhalb des MOSFETs.

Wenn diese Diode leitet, legt der Chip eine Spannung an das Gate des MOSFETs an, sodass dieser nach einer Verzögerungszeit von 70 ns durchschaltet. Am Ende des Leitungszyklus‘ ist es von ganz wesentlicher Bedeutung, den MOSFET so nahe wie möglich am Null-Strom-Punkt zu schalten, ohne dass der MOSFET auch in Sperrrichtung leitet. So vergleicht der Baustein die Drain-Spannung mit einer negativen Schwellwertspannung von -10 mV und senkt die Gate-Spannung des MOSFETs ab, wenn die Drain-Spannung positiver ist als dieser Schwellwert. Dadurch sorgt der Controller dafür, dass er den MOSFET garantiert zum optimalen Zeitpunkt abschaltet.

Der ZXGD3105 verwendet ein analoges Signal zur Steuerung des MOSFET-Gates anstatt einer hohen digitalen Spannung, mit der herkömmliche Gate-Treiber arbeiten, um den MOSFET während dessen Leitungsphase voll durchzuschalten. Daher ist die Spannung zur Gate-Ansteuerung proportional zur gemessenen Spannung. Der MOSFET-Controller arbeitet aber auch mit einem niedrigen Ruhestrom von typischerweise 1,05 mA. Dadurch ist sichergestellt, dass die Verlustleistungsaufnahme im lastfreien Zustand geringer ist - und dieser Aspekt ist von entscheidender Bedeutung für Set-Top-Boxen, weil diese Geräte die meiste Zeit im Standby-Modus verbringen.

Bild 3 zeigt, wie der Controller die Gate-Spannung schnell ansteigen lässt, wenn der Drain-Strom sein Maximum erreicht; dies unterstützt den MOSFET optimal dabei, seinen On-Widerstand so klein wie möglich zu halten, solange ein Strom in signifikanter Höhe fließt. Während der Sperrstrom des Transformators durch den MOSFET abnimmt, senkt der ZXGD3105 die Ansteuerspannung des MOSFET-Gates ab.

Diese adaptive Verringerung der Gate-Ansteuerspannung verringert den Betrag der Gate-Ladung innerhalb des MOSFETs, was wiederum die Schaltverluste minimiert, während gleichzeitig das Abschalten des Leistungsschalters beschleunigt wird, um das Fließen eines Sperrstroms zu verhindern. Darüber hinaus versorgt der proportionale Gate-Treiber das MOSFET-Gate mit der Gate-Spannung, bis der Drain-Strom fast null geworden ist. Dies minimiert wiederum die Zeitdauer, in der die parasitäre Diode nach dem Abschalten des MOSFETs leitet.

Um zu untersuchen, in welchem Umfang ein separater MOSFET-Gate-Controller wie beispielsweise der ZXGD3105 in der Ausgangsgleichrichterstufe der Stromversorgung einer Set-Top-Box zu Leistungseinsparungen führen kann, wurde eine Testanordnung entwickelt, die auf einer universellen Sperrwandler-Stromversorgung basiert, die eine Wechselspannung am Eingang in eine Gleichspannung von 12 V am Ausgang umwandelt. Diese 12-V-Spannung ist in der Lage, eine 30-W-Last zu versorgen. 

 Schottky-
Dioden
ZXGD310
+13-mΩ-MOSFET
Auslastung
Eingangsleistung
in mW
91
141
keine Last
Wirkungsgrad
in %
82,5
84,3
25%
Wirkungsgrad
in %
84,185,7100%
Tabelle 1: Wirkungsgrad im Standby-Modus und im aktiven Betrieb in einem 30-W-Sperrwandler, der am 230-V-Wechselspannungsnetz arbeitet

Tabelle 1 vergleicht die Leistungsfähigkeit der Controller-Lösung mit der einer herkömmlichen Lösung auf Basis von Schottky-Dioden in punkto Leistungsverlust und Wirkungsgrad. Das Testergebnis zeigt, dass die Synchrongleichrichtung mit Hilfe eines MOSFET-Controllers im Vergleich zu einer Lösung auf Basis von Schottky-Dioden den Wirkungsgrad bei Volllast um 1,6% verbessern kann, während gleichzeitig sichergestellt ist, dass die Leistungsaufnahme im Standby-Betrieb innerhalb der von Energy Star festgesetzten Grenzen von 300 mW bleibt.

Über den Autor:

Yong Ang arbeitet als Applikations- und Technischer Marketing Manager bei Diodes.