Digitale Stromversorgungen Isoliert für mehr Sicherheit

Unterschiedliche Isolationarten in der digitalen Stromversorgung.

Die Isolation in einer digitalen Stromversorgung lässt sich auf unterschiedliche Arten realisieren. Doch für welche Anwendung bietet sich welche Isolationsmethode an und was ist zu beachten?

Digitale Steuerungstechniken gewinnen in Stromversorgungssystemen für die Bereiche Telekommunikation, Netzwerke und Computer immer mehr an Bedeutung.

Zurückzuführen ist das auf das rasante Wachstum der Internet- und Kommunikationsinfrastruktur. Zu den Vorteilen digitaler Steuerungstechniken gehören Flexibilität, die Möglichkeit zur Reduzierung der Bauteilanzahl, fortschrittliche Steueralgorithmen, eine bessere Systemkommunikation, eine geringe Empfindlichkeit gegenüber externem Rauschen und die Möglichkeit der Parametervariation.

Digitale Stromversorgungen sind häufig in High-End-Servern, in Speichersystemen sowie in Telekommunikations-Brick-Modulen und anderen Systemen anzutreffen. Für solche Anwendungen wird oft eine galvanische Trennung, also eine Isolation, benötigt.

Die Herausforderung bei der Isolation in einer digitalen Stromversorgung besteht darin, digitale oder analoge Signale schnell und mit hoher Genauigkeit über die Isolationsstrecke zu übertragen. Herkömmliche Optokopplerlösungen verfügen nur über eine geringe Bandbreite und ein unzureichendes Stromübertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR). Dies führt zu großen Ver¬änderungen in Abhängigkeit von der Temperatur und einer Verschlechterung der Isolationseigenschaften mit zunehmendem Alter.

Transformatorlösungen hingegen sind sperrig und bringen Magnetsättigungs-Probleme mit sich. Deshalb ist der Einsatz von Optokopplern oder Transformatoren in Anwen¬dungen, die eine hohe Zuverlässigkeit, eine kompakte Baugröße und eine lange Lebensdauer erfordern, in der Regel schwierig. Doch es stehen mehrere digitale Isolationstechniken zur Wahl, mit denen sich die erwähnten Herausforderungen bei der Entwicklung von digitalen Stromversorgungen angehen lassen.

Warum ist Isolation nötig?

Bei der Entwicklung einer Stromversorgung ist das Einhalten von Sicherheitsstandards unerlässlich, um Anwender und anderes Personal vor Stromschlägen und gefährlich hohen Energien zu schützen. Isolation ist eine wichtige Methode, um Sicherheitsstandards zu erfüllen.

In den Isolationsanforderungen, die von Institutionen weltweit herausgegeben werden – darunter VDE, IEC und UL – sind verschiedene Ein- und Ausgangsspannungspegel spezifiziert, und zwar sowohl im stationären als auch im transienten Zustand. Der Standard UL60950 beispielsweise umfasst fünf Isolationskategorien:

  • Funktionale Isolation: Isolation, die nur für die einwandfreie Funktion von Geräten erforderlich ist.
  • Basis-Isolation: Isolation, um einen Basisschutz vor Stromschlag zu bieten.
  • Ergänzende Isolation: Unabhängige Isolation zusätzlich zur Basis-Isola¬tion, um das Risiko vor Stromschlag im Falle eines Fehlers der Basis-Isolation zu reduzieren.
  • Doppelte Isolation: Isolation, die Basis-Isolation und ergänzende Isolation umfasst.
  • Verstärkte Isolation: Ein einziges Isolationssystem, das ein gewisses Maß an Schutz vor Stromschlag bietet und äquivalent zur doppelten Isolation unter den in diesem Standard spezifizierten Bedingungen ist.

Je nach Position des Controllers gibt es zwei verschiedene Methoden zur isolierten Stromsteuerung: die primär- und die sekundärseitige Steuerung. Tabelle 1 stellt die Funktionen der beiden Methoden gegenüber.

Der ADP1051 ist ein digitaler Leistungsregler mit PMBus-Schnittstelle von Analog Devices, der Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und hoher Effizienz wie zum Beispiel Intermediate Bus Converter (IBC) adressiert. Der Baustein basiert auf einer flexiblen State-Machine-Architektur und bietet Leistungsmerkmale, mit denen sich die Anzahl der benötigten Komponenten gegenüber Analoglösungen reduzieren lässt.

Dazu zählen beispielsweise Rückwärtsstromschutz (Reverse Current Protection), Prebias-Start, Konstantstrom-Modus (Constant Current Mode), einstellbare Anstiegsrate der Ausgangsspannung, anpassbare Totzeit-Steuerung sowie Voltsekunden-Balance im Chip.

Häufig wird der ADP1051 als sekundärseitige Steuerung verwendet, wo er die Kommunikation mit dem System übernimmt. Deshalb müssen Signale wie etwa PWM-Signale von synchronen Gleichrichtern und Uout-Spannungssignale nicht über die Isolationsbarriere gelangen. In diesem Anwendungsfall ist jedoch eine Hilfsstromversorgung erforderlich, um dem Regler in der Anlaufstufe die Versorgungsspannung von der Primärseite zur Verfügung zu stellen.

Ferner müssen die PWM-Signale des ADP1051 zur Ansteuerung der primärseitigen Schalter die Isolationsstrecke überqueren. Drei Konzepte sind dabei denkbar, und zwar die Konzepte Gate-Treiber-Transformator, Digitalisolator und isolierter Gate-Treiber.

Gate-Treiber-Transformator

Bild 1 zeigt das Blockdiagramm einer digitalen Stromversorgung entsprechend des Gate-Treiber-Transformatoransatzes. Bei diesem Konzept sendet der sekundärseitige Regler ADP1051 PWM-Signale an den zweikanaligen 4-A-MOSFET-Treiber ADP3654. Der ADP3654 treibt daraufhin einen Gate-Treiber-Transformator.

Die Funktion eines Gate-Treiber-Transformators besteht darin, die Treibersignale von der Sekundärseite auf die Primärseite zu übertragen und die primärseitigen MOSFETs zu treiben. Eine Hilfsstromversorgung mit galvanischer Trennung liefert die Leistung für den ADP1051 in der Anlaufstufe.

Zu den Vorteilen der Gate-Treiber-Transformatorlösung zählen eine geringe Zeitverzögerung und die niedrigen Kosten. Allerdings verlangt der ADP3654 ein sorgfältiges Design des Gate-Treiber-Transformators.

Der Transformator muss nach einer bestimmten Zeitperiode zurückgesetzt werden, da er sonst in die Sättigung gelangt. Bei einem Gate-Treiber-Transformatordesign für eine Halbbrückentopologie kommt oft ein Double-Ended-Transformator zum Einsatz.

In Bild 2 ist die Schaltung eines Gate-Treiber-Transformators mit dem Treiber ADP3654 zu sehen. Die UOA- und UOB-Ausgänge des ADP3654 sind über einen DC-Blocking-Kondensator CDC mit einem Gate-Treiber-Transformator verbunden.

Unter Berücksichtigung des maximalen Voltsekunden-Werts, der bei Betriebsbedingungen erforderlich ist, wurde ein maximales Tastverhältnis von 50 % für die Halbbrücke gewählt. Sobald der Kern ausgewählt ist, lässt sich die Anzahl der Primärwindungen mit Gleichung 1 berechnen.

Darin sind UDD die Spannung über der Primärwicklung, fs die Schaltfrequenz, ΔB die Flussdichteänderung von Spitze zu Spitze während der halben Schaltperiode und Ae die äquivalente Querschnittfläche des Kerns. Wenn UOA auf High- und UOB auf Low-Potenzial gelangen, schaltet der MOSFET Q1 ein und der MOSFET Q2 aus.

Wenn UOB auf High- und UOA auf Low-Potenzial gelangen, schaltet Q2 ein und Q1 aus. Ein solcher Gate-Treiber-Transformator eignet sich für symmetrische Halbbrücken, nicht aber für asymmetrische Halbbrücken oder eine andere Active-Clamp-Topologie