Spannungsmodus hat Vorteile
Stromversorgung mit Powerfaktor-Korrektur
CRM-PFC-Controller sind mit zwei verschiedenen Betriebsarten verfügbar: Strommodus und Spannungsmodus. Während Strommodus-Controller bereits seit langem im Einsatz sind, bieten die Spannungsmodus-Controller entscheidende Vorteile, besonders für Beleuchtungsanwendungen, wo es auf einen hohen Wirkungsgrad, niedrigen Klirrfaktor und einen großen Leistungsfaktor ankommt. Zudem sind sie rückwärtskompatibel zu älteren Strommodus-Designs.
Die neuesten CRM-PFC-Controller (Critical Conduction Mode, Power Factor Correction) mit Spannungsmodus enthalten zusätzliche Funktionen, die speziell für Beleuchtungsanwendungen entwickelt wurden. Darunter fallen beispielsweise die Gewährleistung eines guten Leistungsfaktors, ein geringer Klirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) bei kleiner Last und die Vermeidung von Überschwingen beim Einschalten, was den Stress bei Elektrolytkondensatoren am Ausgang reduziert und damit die Zuverlässigkeit erhöht.
Zudem ist ein »PFC Ready«-Pin für die Einschaltreihenfolge von Abwärtswandlern vorhanden. Zudem gewährleisten die neuen Spannungsmodus-Bauteile eine Rückwärtskompatibilität zu älteren Strommodus-Designs, sodass die Vorteile des Spannungsmodus-Controllers auch in älteren Designs ohne Änderungen am Layout genutzt werden können.
Sowohl beim Spannungsmodus- als auch beim Strommodus-CRM-PFC-Controller schaltet der Boost-Schalter ein, wenn der Strom durch die Boost-Induktivität den Nullwert erreicht (Bild 1). Dies wird mit einem Nullstrom-Erkennungswiderstand ermittelt, der mit der Hilfswicklung oder der VCC-Wicklung vor der Gleichrichtung verbundenen ist. Dieses Signal wird dann in das Steuer-IC eingespeist. Durch die Optimierung dieses Widerstands lässt sich eine Art quasi-residentes Schalten des Leistungs-MOSFETs in Spannungsmodus-Wandlern erreichen.
Der Hauptunterschied zwischen einem Spannungsmodus- und einem Strommodus-Controller besteht darin, wie der Controller entscheidet, wann der Leistungs-MOSFET abgeschaltet wird. Bei einem Strommodus-Controller wird der MOSFET abgeschaltet, wenn der durch den Strommesswiderstand fließende Induktionsstrom den erwünschten Stromwert erreicht. In diesem Fall wird ein Teil der gleichgerichteten AC-Netzspannung (die über einen Widerstandsteiler gemessen wird) genutzt, um den Referenzstrom zu generieren, der über den Multiplier-Pin in das Kontroll-IC eingespeist wird. Dies bedeutet, dass sich durch die Messung der AC-Netzspannung ein gewisser Leistungsverlust ergibt.
Zusätzlich entsteht ein etwas höherer Leistungsverlust durch die Messung des Drain-Stroms des MOSFETs. Dieser Strom entspricht dem Induktionsstrom, und genau dieser wird gemessen und mit dem am AC-Eingang gemessenen Referenzwert verglichen. Dieses Signal muss ausreichend hoch sein, um für eine Kompensation und Steuerung geeignet zu sein. Deswegen muss bei einem Strommodus-Controller die Spannung des Überstromschutzes höher sein als dieses Signal. Diese Spannung liegt bei ungefähr 1,2 V bis 1,4 V.
So arbeitet der Spannungsmodus
In einem Spannungsmodus-PFC wird ebenfalls der Drain-Strom des MOSFETs gemessen, dies wird aber nur für die Schutzfunktionen gegen Überstrom und die Sättigung der Induktivität genutzt. Deshalb ist die Überstrom-Schutzspannung viel niedriger und liegt bei ungefähr 0,8 V. Beim Spannungsmodus-Controller liegen normalerweise die Leistungsverluste um 25% bis 50% niedriger als bei einem Strommodus-PFC-Controller. Hinzu kommen geringe Energieeinsparungen durch die Eingangsmesswiderstände und die Ausgangsmesswiderstände.
Insgesamt lässt sich somit ein besserer Wirkungsgrad besonders bei Anwendungen mit niedrigerer Leistung erreichen. Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen dem Strommodus- und Spannungsmodus-PFC-Controller hängt mit dem Aufbau des Kompensationsnetzes zusammen. In einem Strommodus-Controller dient der Kondensator Ccomp zwischen dem Ausgang des Fehlerverstärkers und dem Widerstandsteiler für die Ausgangspannung als Kompensationskomponente (Bild 1).
Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, tritt normalerweise eine Überspannung am Ausgangskondensator auf, weil es eine endliche Zeit dauert und ein gewisser Strom durch die hochohmigen Messwiderstände am Ausgang fließen muss, damit das Kompensationsnetz aufgeladen werden kann (Ccomp in Bild 1). Dadurch können immer, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, am Ausgang Einschwingvorgänge auftreten. Die Spitzenwerte dieser Spannung können sehr hoch sein (Bild 2). Diese Schwingungen und Triggerung durch Überspannungen können beim ersten Einschalten einer Lampe auch hörbare Störungen verursachen.
Bei einem Spannungsmodus-PFC-Controller ist das Kompensationsnetzwerk mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers und der Masse verbunden. Dies hat zwei Vorteile. Erstens muss kein Strom fließen, damit die Ausgangspannung den Grenzwert des Überspannungsschutzes erreicht (Bild 1). Zweitens sinkt die Empfindlichkeit gegen-über Störungen aus dem Layout, da ein Knotenpunkt der Kompensationsschaltung mit Masse (GND) und der andere Knotenpunkt mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers verbunden sind.
Start ohne Überschwingen
Die neueste Generation der Spannungsmodus-PFC-Controller hat Fairchild Semiconductor um einige wichtige Merkmale erweitert, wie eine Softstart-Funktion ohne Überschwingen, einen internen THD-Optimierer und einen »PFC Ready«-Pin. Der THD-Optimierer ermöglicht einen besseren Gesamtklirrfaktor, während die Anzahl der benötigten externen Komponenten reduziert und ein externer Pin freigemacht werden kann, der zuvor für die PFC-Ready-Funktion benötigt wurde. Der PFC-Ready-Pin meldet dem nachfolgenden DC/DC-Wandler, sobald die Ausgangspannung 89% der eingestellten Busspannung erreicht hat, was die Einschaltfolge deutlich vereinfacht.
Der Baustein »FL7930C« von Fairchild Semiconductor verfügt über eine verbesserte Kompensation und einen Steuerbereich für sehr kleine Lasten. Eine Begrenzung der Schaltfrequenz auf 300 kHz sowie eine interne Erkennung bei fehlender AC-Spannung gewährleistet einen sicheren Betrieb und einen Neustart durch einen gesteuerten Softstart-Prozess, sollte die AC-Netzspannung kurzzeitig unterbrochen werden. Dadurch lassen sich sowohl hohe Stromstöße als auch Spannungsspitzen vermeiden.
Diese Merkmale steigern den PFC-Wirkungsgrad und verbessern das THD-Verhalten, wobei so auch der Stress reduziert wird. Der FL7930C ist hierdurch besonders für Anwendungen mit langer Lebensdauer wie industrielle Beleuchtungen (277 V) und Anwendungen mit Helligkeitsregelung geeignet.
Das Pinout des FL7930C wurde sorgfältig geplant, um die Implementierung in ein bestehendes Design zu vereinfachen, wenn dort bislang ein Strommodus-Controller wie der »FAN7527B« von Fairchild zum Einsatz kommt - oft sogar ohne Layout-Änderungen. allerdings kann der Entwickler in diesem Fall die Funktion von Pin 2 oder die PFC-Ready-Funktion des FL7930C nicht nutzen.
Da diese Funktion bei den älteren Strommodus-Controllern nicht vorhanden ist, hat dies keinen Einfluss auf das Design. Wie das geht, ist in Bild 3 dargestellt. Dieses zeigt ein Strommodus-PFC-Design und die notwendigen Änderungen, um den neuen Spannungsmodus des FL7930C einsetzen zu können.
Über den Autor:
Alexander Craig ist Principal Application Engineer bei Fairchild Semiconductor.
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