Sperrwandler ohne Nachteile

Stromversorgungen für medizinische Geräte müssen aus Gründen der Sicherheit und Zuverlässigkeit galvanisch getrennt ausgeführt sein. Viele Jahre kamen hier Sperrwandler zum Einsatz, die einfach und robust sind, aber auch so ihre Nachteile haben. Moderne PWM-Controller-Bausteine versuchen, diese Nachteile zu überwinden.

Das Separieren der Masse von einer verrauschten Quellspannung ist ein Grund, warum eine galvanisch getrennte Stromversorgung besonders bei medizinischen Geräten nötig ist. Untersuchungskameras, zahnärztliche Geräte und Überwachungssysteme für Lebenszeichen, um nur einige zu nennen, verwenden alle Displays, die von einer verrauschten Quellspannung nachteilig beeinflusst werden können.

Eine galvanisch getrennte Stromversorgung bietet eine Separation der Masse, die das Rauschen eliminiert, das Bildschirmstörungen verursachen kann. Größere medizinische Systeme wie Computertomographen, Blutgas-Elektrolytanalysatoren und einige Ultraschallsysteme nutzen üblicherweise mehrere Platinen für unterschiedliche Funktionen und haben damit eine verteilte Stromversorgungsarchitektur typischerweise mit einer Busspannung von 24 V oder 48 V.

Verteilte Stromversorgungsarchitekturen benötigen üblicherweise eine galvanisch getrennte DC/DC-Wandlung vom Bus auf die Betriebsspannungen der Subsysteme, um die Sicherheit von Bediener und Patient zu gewährleisten und um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Sperrwandler (Flyback) wurden über viele Jahre vielfach in galvanisch getrennten Applikationen eingesetzt. Sie sind jedoch nicht unbedingt die erste Wahl eines Entwicklers.

Zwar sind die Isolationsanforderungen bei ihnen eher niedrig, allerdings sind sie nicht einfach zu entwerfen. Ein Sperrwandler hat inhärent Stabilitätsprobleme wegen der Nullstelle in der rechten Halbebene der Regelschleife, was sich durch die Laufzeitverzögerung, Alterung und Verstärkungsvariation eines Optokopplers weiter verkompliziert.

Darüber hinaus, erfordert der Sperrwandler einen signifikanten Zeitaufwand für die Entwicklung des Trafos. Diese Aufgabe erschwert sich zusätzlich dadurch, dass normalerweise kaum Katalogtrafos zum Einsatz kommen, sondern meist kundenspezifische Bauteile entwickelt werden müssen. Jüngste Fortschritte in der Leistungswandlungstechnik haben die Entwicklung von galvanisch getrennten Wandlern niedriger Leistung wesentlich vereinfacht.

Der kürzlich von Linear Technology auf den Markt gebrachte isolierte Baustein »LT8300« soll die angesprochenen Hindernisse bei der Entwicklung von Sperrwandlern lösen. Er arbeitet im Eingangsspannungsbereich zwischen 5 V bis 100 V mit bis zu 2 W Ausgangsleistung.

Kein Optokoppler nötig

Der LT8300 eliminiert die Notwendigkeit eines Optokopplers, einer Referenzspannung auf der Sekundärseite und einer dritten Wicklung am Leistungstrafo. Dabei liegt lediglich ein Bauteil in der Trennstecke zwischen Primär- und Sekundärseite: der Trafo. Der LT8300 enthält eine Messschaltung auf der Primärseite, welche die Ausgangsspannung über die Signalform des schaltenden Knotens auf der Primärseite des Sperrwandlers erfassen kann.

Während der Aus-Periode fließt über die Ausgangsdiode der Strom für den Ausgang, und die Ausgangsspannung wird auf die Primärseite des Trafos zurückgespiegelt. Die Größe der Spannung des Schaltknotens ist die Summe der Eingangsspannung und der reflektierten Ausgangsspannung, die der LT8300 dann rekonstruieren kann. Diese Rückkopplung misst die Ausgangsspannung besser als ±5% genau über die vollen Leistungs-, Last- und Temperaturbereiche.

Bild 1 zeigt die Schaltung eines Flyback-Wandlers mit dem LT8300 mit nur sieben externen Komponenten. Der LT8300 ist in einem kleinen SOT-23-Gehäuse mit fünf Anschlüssen erhältlich und arbeitet mit Eingangsspannungen zwischen 5 V und 100 V, die direkt an das IC angelegt werden können, ohne einen Vorschaltwiderstand verwenden zu müssen.

Der Baustein kann wegen des integrierten Hochspannungs-LDOs und der vergrößerte Abstand zwischen Pin 4 und Pin 5 zuverlässig mit einer hohen Eingangsspannung arbeiten. Zusätzlich kann der Baustein mit seinem internen 150-V-DMOS-Leistungsschalter (maximaler Drain-Strom 260 mA) bis zu etwa 2 W an Ausgangsleistung bereitstellen.

Bei kleiner Last läuft der LT8300 in einem Burst-Mode mit kleiner Ausgangswelligkeit, was den Ruhestrom auf nur 30 µA reduziert, eine Eigenschaft, welche die Batterielaufzeit während des Schlafmodus‘ verlängert. Weitere Funktionen sind interner Soft-Start und Unterspannungssperre (UVLO). Das Wicklungsverhältnis des Trafos und ein externer Widerstand sind alles was man benötigt, um die Ausgangsspannung einzustellen.

Normalerweise erfordert es einen Optokoppler und eine Referenzspannung auf der Sekundärseite, um die Ausgangsspannung bei einem galvanisch getrennten Wandler zu messen. Ein Optokoppler überträgt das Rückkopplungssignal der Ausgangsspannung über die optische Verbindung und sichert dabei die galvanische Trennung. Das Übertragungsverhältnis eines Optokopplers ändert sich jedoch mit der Temperatur und mit der Zeit (Alterung), was die Genauigkeit vermindert.

Optokoppler können auch von Bauteil zu Bauteil eine Nichtlinearität aufweisen, was den Einsatz einer zusätzlichen Trafowicklung für die Rückkopplung der Spannung erfordert, die aber auch dazu benutzt werden kann die Rückkoppelschleife anstelle eines Optokopplers zu schließen. Diese zusätzliche Trafowicklung erhöht jedoch die Ausmaße und Kosten des Trafos.

Der LT8300 eliminiert die Notwendigkeit für einen Optokoppler oder eine extra Trafowicklung, indem er die Ausgangsspannung auf der Primärseite des Trafos erfassen kann. Die Ausgangsspannung V_OUT wird akkurat über die schaltende Knoten-Signalform auf der Primärseite während der Aus-Zeit des Leistungstransistors gemessen (Bild 2). Dabei ist N das Wicklungsverhältnis des Trafos, V_IN die Eingangsspannung und V_C ist die maximale geklemmte Spannung.

Betrieb mit variabler Schaltfrequenz

Ein Sperrwandler mit dem LT8300 schaltet seinen internen Schalter sofort ein, nachdem der Strom auf der Sekundärseite auf null abfällt und schaltet ab, wenn der Schaltstrom eine vordefinierte Strombegrenzung erreicht. Deswegen arbeitet er am Übergang vom nichtlückenden Betrieb (CCM, continuous conduction mode) zu lückenden Betrieb (DCM, discontinuous conduction mode), gewöhnlich als Boundary-Modus oder Critical-Conduction-Modus bezeichnet.

Der Betrieb in diesem Modus ist ein Schaltschema mit variabler Frequenz. Wenn der interne Leistungsschalter einschaltet, steigt der Trafostrom bis zur voreingestellten Strombegrenzung. Die Spannung am SW-Pin steigt auf die Ausgangsspannung geteilt durch das Wicklungsverhältnis der Primär- und Sekundärwicklungen des Trafos plus der Eingangsspannung. Wenn der Sekundärstrom durch die Diode auf null abfällt, fällt die Spannung am SW-Pin unter V_IN. Der interne DCM-Detektor erkennt dieses Ereignis und schaltet den Schalter wieder ein, und der Zyklus wiederholt sich.

Der Boundary-Modus bringt am Ende jedes Zyklus‘ den Sekundärstrom wieder auf null zurück, was in dem parasitären resistiven Spannungsabfall resultiert, der aber keine Lastregelungsfehler verursacht. Außerdem ist der primäre Leistungsschalter bei Nullstrom immer eingeschaltet und die Ausgangsdiode hat keine Verluste wegen Sperrverzögerung. Dadurch sinken die Verluste und der Sperrwandler kann bei einer relativ hohen Schaltfrequenz zu arbeiten, was wiederum im Vergleich zu alternativen Designs mit niedriger Frequenz die Abmaße des Trafos verringert.

Bild 3 zeigt Spannung und Strom am Schaltknoten, zusammen mit dem Strom in der Ausgangsdiode. Die Lastregelung ist im Betrieb im Boundary-Modus hervorragend, weil die reflektierte Ausgangsspannung immer beim Nulldurchgang des Diodenstroms abtastet. Der LT8300 bietet typisch eine Lastregulierung von besser als ±2% (Bild 4).

Trafoauswahl und Designbetrachtungen

Die Spezifikationen und das Design des Trafos sind vermutlich der wichtigste Teil des erfolgreichen Einsatzes des LT8300. Zusätzlich zur üblichen Liste an Problemen, die mit der Entwicklung von hochfrequenten, galvanisch trennenden Trafos für Stromversorgungen zusammenhängen wie geringe Streuinduktivität und gute Kopplung, ist das Wicklungsverhältnis des Trafos genau zu bemessen, um eine gleichbleibende Ausgangsspannung sicherzustellen. Dies liegt daran, dass die Spannung auf der Sekundärseite des Trafos von der Spannung abgeleitet ist, die auf der Primärseite abgegriffen wird.

Linear Technology hat eng mit führenden Herstellern von magnetischen Komponenten zusammen gearbeitet, um vorentwickelte Flyback-Trafos für den Einsatz mit dem LT8300 zu produzieren.

Tabelle 1: Ab Lager erhältliche Trafos für den LT8300

Tabelle 1 zeigt eine verkürzte Liste der empfohlenen ab Lager verfügbaren Trafos renommierter Hersteller. Eine komplette Liste ist im Datenblatt des LT8300 enthalten. Diese Trafos überstehen typischerweise für eine Minute 1500 V (AC) Durchbruchsspannung von der Primär- auf die Sekundärseite. Höhere Durchbruchspannungen und kundenspezifische Trafos können ebenfalls realisiert werden.

Eine Schaltung mit dem LT8300, die einen der in Tabelle 1 aufgelisteten Trafos verwendet, kann modelliert werden, indem man eine kostenfreie Kopie der »LTspice«-Software herunterlädt. Diese Simulation produziert realistische Ergebnisse um weiter dabei zu helfen, die Entwicklung dieser Wandler zu vereinfachen und zu bestätigen. Diese Simulationsschaltung enthält Informationen darüber, wie man die Schaltung einschaltet und ihre Reaktion auf Lastschritte für unterschiedliche Eingangsspannungen. Es ist einfach, Änderungen vorzunehmen und ihre Auswirkungen auf die Leistung der Schaltung zu sehen.

Über den Autor:

Bruce Haug ist Senior Product Marketing Engineer im Bereich Power Products bei Linear Technology.

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