Schaltregler-ICs Weniger Leistung verschwenden

Der Schaltnetzteil-Controller TEA1733 ist das erste IC der stromsparenden GreenChip-Netzteil-ICs von NXP Semiconductors. Seine geringe Stromaufnahme ermöglicht es, Netzteile mit einer Leistungsaufnahme unter 30 mW im Bereitschaftsbetrieb zu konstruieren – „Zero- Watt“-Netzteile.

Der Industriestandard Energy Star Version 2.0 verlangt von externen Stromversorgungen einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von mehr als 87 % und eine Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb von weniger als 300 mW bei einer Ausgangsleistung bis 50 W oder weniger als 500 mW bei einer Ausgangsleistung zwischen 50 W und 250 W. Manche Kunden verlangen im Bereitschaftsbetrieb sogar eine Leistungsaufnahme von weniger als 100 mW.

Der TEA 1733 von NXP [Datenblatt] erfüllt diese Anforderungen und eignet sich für Netzteile mit einer Leistungsaufnahme bis zu 75 W. Typische Einsatzgebiete sind somit Netzteile für Netbooks oder Drucker sowie LCDMonitore. Der Controller kann wahlweise im lückenden Betrieb (DCM: Discontinuous Conduction Mode) oder im nicht-lückenden Betrieb (CCM: Continuous Conduction Mode) arbeiten. Für einen hohen Wirkungsgrad über den kompletten Leistungsbereich wird seine Schaltfrequenz bei niedriger Leistung gesenkt. Die Schaltfrequenz ist zur Verminderung der elektromagnetischen Störabstrahlung (EMI: Elektromagnetische Interferrenz) mit einem definierten Jitter versehen.

Sperrwandler mit fester Schaltfrequenz

Sperrwandler sind heute der am weitesten verbreitete Schaltnetzteiltyp. Die typische Beschaltung des TEA-1733 in einer Sperrwandler-Schaltung zeigt Bild 1. Der TEA1733 arbeitet mit der Spitzenstromregelung, und die Regelung der Ausgangsleistung erfolgt über den „CTRL“-Pin. Die Information über die am Ausgang gemessene Last wird per Optokoppler an den „CTRL“-Eingang zurückgeführt.

Der Primärstrom erzeugt am Widerstand R1 eine Spannung, die über den Anschluss „ISENSE“ erfasst wird. Sein Spitzenwert wird mit einer internen Spannung verglichen, die proportional zur Spannung am „CTRL“-Eingang ist. Durch die Regelung des Spitzenstroms wird das Tastverhältnis entsprechend angepasst. Bei Tastverhältnissen über 50 % wird zur Vermeidung subharmonischer Verzerrungen ein Kompensationsnetzwerk (Slope Compensation) aktiviert. Das Tastverhältnis ist auf maximal 74 % begrenzt.

Im Betrieb mit geringer Ausgangsleistung reduziert der TEA1733 seine Schaltfrequenz, um so die Schaltverluste zu senken. Der integrierte spannungsgesteuerte Oszillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) reduziert die Schaltfrequenz langsam bis auf 0 Hz. Um störendes Rauschen zu unterbinden, wird die Stromamplitude während der Frequenzabsenkung auf 25 % des maximalen Spitzenstromes festgelegt.

Der Verlauf von Spitzenstrom – erfasst über den ISENSE-Anschluss als Spannung über dem Strommesswiderstand – und Schaltfrequenz als Funktion der Spannung am „CTRL“-Eingang ist in Bild 2 wiedergegeben.

Zur Verringerung der elektromagnetischen S t ö r a b s t r a h l u n g dient im TEA1733 ein definierter Frequenz-Jitter. Die Mittenfrequenz von 66,5 kHz wird dazu mithilfe eines Jitter- Oszillators mit einer Frequenz von 260 Hz und einem Hub von ±4 kHz variiert.

Während der Einschaltphase wird die Versorgungsspannung UB für das IC durch einen Strom aufgebaut, der durch einen speziellen Start-Widerstand fließt. Das IC selbst nimmt hierbei lediglich etwa 10 μA auf. Eine für hohe Spannungen taugliche Start-Schaltung ist nicht erforderlich. Sobald UB den Anlaufwert von ca. 20,6 V erreicht hat und alle übrigen Bedingungen erfüllt sind, beginnt der Controller zu schalten. Von diesem Moment an wird die Versorgungsspannung des ICs aus der Hilfswicklung des Übertragers bezogen. Die reguläre Stromaufnahme beträgt typisch 0,5 mA, wobei die Last am „DRIVER“- Pin nicht eingerechnet ist. Die geringe Stromaufnahme trägt zur Steigerung des Wirkungsgrads bei – vor allem im Teillastbetrieb.

Bereitschaftsbetrieb

Die geringe Stromaufnahme und die Absenkung der Schaltfrequenz machen es möglich, den TEA1733 mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100 mW zu betreiben. Werden die externen Bauelemente, wie zum Beispiel die Widerstände und der X-Kondensator, sorgfältig ausgewählt, ergibt sich für ein typisches Netzteil (19,5 V, 65 W) eine Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb von 48 mW bei 115 V(AC) bzw. 84 mW bei 230 V(AC).

Wird der Bereitschaftsbetrieb über ein externes Signal („Power On/ Down“) ausgelöst – z.B. in batteriebetriebenen Geräten –, lässt sich das IC komplett abschalten, und die Leistungsaufnahme geht auf unter 30 mW zurück. Diese niedrige Leistungsaufnahme wird oft auch als „Zero-Watt“ bezeichnet. Bild 3 zeigt die Steuerschaltung zum Abschalten des TEA- 1733. Das Ausschaltsignal muss im Normalbetrieb „High“-Pegel führen.

Im Bereitschaftsbetrieb („Low“-Pegel) sperrt der Fototransistor im Optokoppler Ux so dass der Transistor Tx leitend wird und die Spannung am Anschluss „VINSENSE“ nach unten ziehen kann. Dadurch wird ein Neustart der Schaltung unterbunden. Das IC stellt daraufhin das Schalten ein und wechselt in den „Power-Down“-Modus, in dem es nur noch einen Strom von 10 μA aufnimmt. Die Betriebsspannng UB wird in diesem Modus auf einen Wert knapp unter der Einschalt-Spannungsschwelle begrenzt, damit das IC schnell aus dem Bereitschaftsbetrieb in den Normalbetrieb gesteuert werden kann.