Leistungswandler - Teil 4 Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen

DC/DC-Wandler mit störarmer Ausgangsspannung und geringen Schaltaufwand endet die Serie.
DC/DC-Wandler mit störarmer Ausgangsspannung und gekoppelten Induktivitäten.

Im vierten Teil der Serie über gekoppelte Induktivitäten stellt Dr. Heinz Zenkner einen DC/DC-Wandler mit sehr störarmer Ausgangsspannung vor, der nur geringen Schaltungsaufwand erfordert. Damit beendet er die Serie.

Zahlreiche Sensor-, HF- und auch Audioschaltungen benötigen eine Versorgungsspannung, die möglichst frei von Störungen sein muss. Die Ursachen der Störungen können dabei vielfältig sein. Einen »EMV-gerechten« Aufbau vorausgesetzt kommen die meisten Störungen jedoch vom DC/DC-Wandler selbst, der aufgrund seiner Schaltung durch die Schaltvorgänge des Leistungs-MOSFETs ein breitbandiges Störspektrum erzeugt. Einige DC/DC-Wandlerschaltungen weisen wegen ihres günstigen Aufbaus geringere Störungen am Ausgang auf, im zweiten Beitrag dieser Serie [2] wurden solche Wandlerschaltungen vorgestellt.

Eine von ihnen ist der ZETA-Wandler; wird dieses Schaltungsprinzip mit gekoppelten Induktivitäten aufgebaut, entsteht bereits im Grundaufbau ein DC/DC-Wandler, der eine störarme Spannung am DC-Ausgang aufweist. Das Prinzip dieser Schaltung wurde im zweiten Beitrag vorgestellt, in Bild 1 ist noch einmal die Blockschaltung gezeigt. Der hier eingesetzte Controller TPS40200D von Texas Instruments ist ein flexibel einsetzbarer Schaltregler-IC mit einem integrierten 200-mA-Treiber für P-Kanal-MOSFETs. Er arbeitet bis zu einer maximalen Eingangsspannung von 52 V, verfügt über eine spannungsgeführte Regelschleife und eine rückspeisefähige Eingangsspannungskompensation, die sofort auf Eingangsspannungsänderungen reagiert.

Die auf 1 % getrimmte interne 700-mV-Referenz bietet die Möglichkeit, die gewünschte Ausgangsspannung präzise zu regeln. Taktfrequenz, Sanftanlauf und Überstromgrenzen werden jeweils von einer einzigen externen Komponente bestimmt. Auch hat der Baustein eine Unterspannungsschutzschaltung, er kann im Frequenzbereich zwischen 35 kHz und 500 kHz betrieben werden und bietet eine Option zur externen Synchronisation. Die Grundschaltung dieses Abwärtswandlers von Texas Instruments ist in Bild 2 dargestellt.

Zeta-Wandler mit gekoppelter Induktivität

Bilder: 3

Zeta-Wandler mit gekoppelter Induktivität , Bilder 1-3

Zeta-Wandler mit gekoppelter Induktivität , Bilder 1-3

 

Dieser Aufbau muss in Anlehnung an Bild 1 geändert werden, um einen ZETA-Wandler zu realisieren (Bild 3). Als Basis für den Laboraufbau des ZETA-Wandlers diente das EVAL-Board TPS40200EVM-002 von Texas Instruments. Bei einer Eingangsspannung von 18 V kann die Ausgangsspannung mit P1 im Bereich zwischen 1,37 V und 11 V eingestellt werden. Der maximale Laststrom sollte 1,2 A nicht überschreiten.

Weiterhin muss das Regelverhalten der Rückkopplungsschleife mit R2, R9, R10, C2, C3 und C6 angepasst werden. Der ZETA-Wandler kann im Gegensatz zum SEPIC-Wandler leichter kompensiert werden, um eine größere Schleifenbandbreite und bessere Lastsprungergebnisse bei kleineren Ausgangskapazitätswerten (C14 bis C16) zu erreichen. Die Ausgangsspannung wird über P1 und R8 eingestellt. Zur Optimierung dieser Komponenten wird auf die Datenblätter des TPS40200D von Texas Instruments verwiesen [4].

Die beiden Drosseln L1a und L1b werden induktiv miteinander gekoppelt. Verwendet wird für L1 die Doppeldrossel WE 7448990470, die elektrischen Daten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die beiden Drosseln haben je eine Induktivität von 47 µH, d.h. das Übersetzungsverhältnis beträgt 1:1. Der Kopplungskoeffizient k der Drossel beträgt nahezu 1, d.h. die Streuinduktivität ist sehr gering. In einer ideal gekoppelten Drossel (Kopplungskoeffizient k = 1), mit der gleichen Anzahl von Windungen jeder Wicklung (N = 1:1) auf einem gleichen Kern, zwingt die Gegenkopplung der beiden Wicklungen, den Welligkeitsstrom gleichmäßig zu verteilen.

Ausgangsfilter mit gekoppelter Induktivität

Die für eine gewünschte Restwelligkeit notwendige Induktivität halbiert sich somit gegenüber einer klassischen Schaltung, bei der die Induktivitäten nicht gekoppelt wären. Mit dieser Zeta-Schaltung (Bild 3) ist, bei sorgfältigem Aufbau, am Ausgang eine Störspannung erreichbar, wie sie in Bild 4 gezeigt ist.

Doch die Schaltung hört an dieser Stelle nicht auf. Durch ein zusätzliches Filterelement, bestehend aus einer weiteren gekoppelten Induktivität und einem Kondensator lässt sich die Störspannung noch weiter deutlich reduzieren. Die Schaltung nach Bild 5 bildet ein lineares Zweitor-Filter, das in jeden Gleichstromkreis – sogar nachträglich – eingefügt werden kann, um den Störwechselstrom zu reduzieren.

Das hier beschriebene Konzept ist nicht neu. Es tauchte im Laufe der Jahre in vielerlei Hinsicht auf, aber es hat sich trotzdem nicht etabliert. Die Filterschaltung scheint wenig bekannt und auf den ersten Blick auch schwer verständlich. Mit gekoppelten Induktivitäten bietet sich jedoch eine hervorragende Möglichkeit, Störströme in DC/DC-Wandlern auf relativ einfache und sogar auf simple Art deutlich zu reduzieren.

Die Kombination aus gekoppelter Induktivität und Gleichstrom-Blockkondensatoren (C → ∞) nach Bild 5, bildet ein lineares Filter mit zwei Anschlüssen.

Die Gleichstromwicklung L2a führt den Gleichstrom zum Verbraucher, wie eine Glättungsdrossel; die Wechselstromwicklung L2b dagegen führt nur den geringen Welligkeits-Wechselstrom bzw. den Störstrom.

Wesentlich für die Funktion ist hier die magnetische Kopplung zwischen den beiden Wicklungen, d.h. die Gegenkopplungsinduktivität, die über den Kopplungsfaktor k dargestellt wird. Ein Faktor k von 1 bedeutet eine 100-%-ige Kopplung zwischen den beiden Spulenwicklungen, die Filterwirkung ist abhängig vom Kopplungsfaktor k.

Das hier beschriebene Konzept ist nicht neu. Es tauchte im Laufe der Jahre in vielerlei Hinsicht auf, aber es hat sich trotzdem nicht etabliert. Die Filterschaltung scheint wenig bekannt und auf den ersten Blick auch schwer verständlich. Mit gekoppelten Induktivitäten bietet sich jedoch eine hervorragende Möglichkeit, Störströme in DC/DC-Wandlern auf relativ einfache und sogar auf simple Art deutlich zu reduzieren

Bilder: 7

Ausgangsfilter mit gekoppelter Induktivität, Bilder 6, 7, Tabelle 2

Ausgangsfilter mit gekoppelter Induktivität, Bilder 6 a-e, 7, Tabelle 2

Aufgrund des Schaltungsaufbaus, der einem Filter 2. Ordnung gleicht, sollten gekoppelte Induktivitäten eingesetzt werden, deren k < 0,99 ist, da die Schaltung sonst leicht in eine Serienresonanz (Kerbfilter) gerät und im Frequenzbereich über der Serienresonanz eine geringere Filterwirkung zeigt.

Ideal ist ein Faktor von unter 0,98, wie er bei der verwendeten gekoppelten Induktivität WE-TDC 74489440068 vorliegt. Die verwendeten Kondensatoren müssen einen möglichst geringen ESR aufweisen um die erwünschte Filterwirkung zu erzielen. Als gepolter 470-µF-Kondensator kann hier beispielsweise der WE-WCAP-PT5H Aluminium-Polymer-Kondensator eingesetzt werden, der bei 16 V einen ESR von 9 mΩ hat (Tabelle 2).

Die Gesamtschaltung, d.h. der ZETA-Wandler nach Bild 3 und das nachgeschaltete Filter nach Bild 5 zeigen das in Bild 6 gezeigte Verhalten. Einen Laboraufbau des ZETA-Wandlers mit nachgeschaltetem Filter zeigt Bild 7, als praktische Basis diente das von Texas Instruments erhältliche EVAL-Board TPS40200EVM-002.

 

Literatur

[1] Zenkner, H.: Leistungswandler: Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen – Teil 1. Elektronik 2019, H. 9, S. 30–35, elektronik.de, 26.4.2019, https://www.elektroniknet.de/elektronik/power/gekoppelte-induktivitaeten-und-ihre-anwendungen-164807.html.

[2] Zenkner, H.: Induktivitäten für Leistungswandler: Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen – Teil 2. Elektronik 2019, H. 12, S. 44–48, elektronik.de, 19.06.2019, https://www.elektroniknet.de/elektronik/e-mechanik-passive/gekoppelte-induktivitaeten-und-ihre-anwendungen-166492.html.

[3] Zenkner, H.: Induktivitäten für Leistungswandler: Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen – Teil 3. Elektronik 2019, H. 15, S. 38–41, elektronik.de, 06.08.2019, https://www.elektroniknet.de/elektronik/power/gekoppelte-induktivitaeten-und-ihre-anwendungen-168081.html.

[4] TPS40200 Wide Input Range Non-Synchronous Voltage Mode Controller. Texas Instruments, Datenblatt, November 2014, www.ti.com/lit/ds/symlink/tps40200.pdf.

 

Der Autor

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