Gleiche Größe, doppelte Leistung AC/DC-Netzteile laden schneller mit Active-Clamp-Flyback-ICs

Neue Sperrwandler mit aktiver Begrenzung machen Netzteile für Handys, Tablets und Laptops noch kleiner und sorgen für schnelleres Laden
Neue Sperrwandler-ICs mit aktiver Begrenzung machen Netzteile für Handys, Tablets und Laptops noch kleiner und sorgen für schnelleres Laden.

Adaptive Hochfrequenz-Sperrregler mit spannungslosem Schalten und aktiver Begrenzung helfen, den steigenden Anforderungen mobiler AC/DC-Netzteile zu entsprechen. Silanna Semiconductors stellt eine neue Generation Active-Clamp-Flyback-Controller-ICs mit der bisher höchsten Leistungsdichte vor.

Das mobile „always on“-Leben stellt die Stromversorgung für digitale Helfer wie Mobiltelefone, Tablets oder Kameras vor große Herausforderungen. Verbraucher wollen vor allem eine längere Laufzeit der Akkus und schnelles Laden – neben der Akkugröße und -leistung muss das Netzteil immer höhere Leistungen bereitstellen und übersetzen können.

Die Hersteller von AC-/DC-Netzteilen möchten im Zuge der technischen Weiterentwicklung entweder mehr Leistung bei gleicher Größe oder kleinere Netzteile mit höherer Leistungsdichte und verbesserter Effizienz erreichen. Zum Vergleich: ein gängiges Handy-Netzteil konnte 2018 mit 15W laden, 2019 mit 25 W und wird dieses Jahr bis zu 40 W bei gleicher Größe erreichen. Eine der wichtigsten Power-Komponenten für diese und weitere Leistungssprünge sind Hochfrequenz-Sperrregler für spannungsloses Schalten mit aktiver Begrenzung  (Active Clamp Flyback Controller, ACF).

Eine neue und besonders leistungsfähige Generation ACF-ICs stellte Silanna Semiconductors kurz nach Ostern vor. Die neuen ICs erreichen nach Aussagen des Halbleiter-Unternehmens, dass sich ausschließlich auf Power Management-ICs fokussiert hat, die beste Leistungsdichte und Effizienz gegenüber den Mitbewerbern, und das auf sehr kleinem Bauraum. Kunden sollen mit den neuen ACF-ICs vor allem BoM-Kosten einparen können.

Die Bausteine SZ1110 und SZ1130 sind Active-Clamp-Flyback-PWM-Controller, die im IC-Package einen adaptiven digitalen PWM-Controller und Ultrahochspannungs-(UHV-)Komponenten integrieren: einen Active-Clamp-FET, einen Active-Clamp-Gate-Treiber und einen Startup-Regler. Das reich bestückte und leicht zu intergierende Package soll Entwicklern das Design effizienter AC/DC-Netzteile mit hoher Leistungsdichte bei sehr kompakter Größe erleichtern.

Die neuen ACF-Controller liefern mit einem Vollsilizium-Design einen Wirkungsgrad von über 94% und eine Leistungsdichte von 27 W/in3 bei 65 W für AC/DC-Netzteile, einschließlich USB-PD- und Schnellladeanwendungen

Konventionelle Flyback-Regler

Flyback-Regler mit RCD-Snubbern verlieren insbesondere am Transformator viel Leistung in Form von Wärme. Der Leistungsverlust steigt bei höheren Schaltfrequenzen – er kann sich mehr als verdoppeln – und sorgt zusätzlich für Schaltverluste und elektromagnetischen Störungen (EMS). Es ist daher sehr schwierig mit konventionell aufgebauten Flyback-ICs einen Wirkungsgrad von über 90 % zu erreichen.

Aktive Begrenzung steigert Effizienz

Flyback-Regler mit „Active Clamp“-Betrieb reduzieren die Spitzenspannung  und ermöglichen ein aggressiveres Wicklungsverhältnis des Transformators mit niedrigeren SR-FET-Spannungsraten. Die Verlustleistung wird quasi recycelt und steigert die Effizienz. Active-Clamp-FETs schalten weicher und verursachen so geringere EMS. Mit der aktiven Begrenzung liegt das QR-Tal weit unter 200 V, nahe am Spannungsnulldurchgang (ZVS) des Hauptschalters. Die geringeren Schaltverluste führen wiederum zu einer höheren Effizienz und geringen EMS-Belastung durch kleinere Schaltspannungen.

Hoch-integratives und funktionales Package

Die neuen Silanna-Bausteine kombinieren vier Funktionen in einem Package und bieten dementsprechend die Vorteile eines ACF-Controllers mit der einfachen Integration eines konventionellen Flyback-Wandler-ICs.

Der integrierte Mikroprozessor dient als digitale Steuerung optimiert die Leistung bei wechselnder Leitung, Last und Temperatur sowie bei sich ändernden Bedingungen oder Bauteiltoleranzen. Alle wichtigen Indikatoren der Stromversorgung werden im Package kontinuierlich überwacht. Unter anderen wird die Schaltzeit on/off des Hauptschalters Zyklus für Zyklus eingestellt, die hohe Effizienz, niedrige EMS und Last wird während der Regulierung der Schlüsselparameter konstant gehalten. Die maximale Schaltfrequenz liegt bei 146 kHz.

Je nach Rahmenbedingungen wird der Modus des ACF-IC’s adaptiv angepasst und erreicht mit der optimal ausgewählten Betriebsart die bestmögliche Schalteffizienz. Unter anderem stehen der »Burst Mode«, ein »Valley Switching Mode« und weitere proprietäre Betriebsarten zur Auswahl. Die neuartigen Silanna ACF-ICs erreichen mit dieser Bauweise sehr flache Wirkungsgradkurven mit einem Spitzenwirkungsgrad von 94,5 % bei einer Vollsilizium-Ausführung und sind dabei mit 1,77 Inch nochmal etwa 7 % kleiner als bisher am Markt erhältliche ACF-ICs.