Startseite > Power > Der smarte Weg zur Stromversorgung

SMPS-Matrix von onsemi

Der smarte Weg zur Stromversorgung

2. Juli 2025, 11:19 Uhr | Von Rolf Horn, Applications Engineer bei DigiKey

Bild 1: Dargestellt sind die Hauptkomponenten eines typischen 100W-SMPS.

Mit der SMPS-Matrix bietet onsemi einen benutzerfreundlichen Pfad für die Auswahl von Stromversorgungskomponenten und stellt sicher, dass die Auswahl kritischer Komponenten zum Leistungsniveau des Designs passt. Für die Suche stehen direkte Links zu Datenblättern sowie Preisangeboten bereit.

▶ Diesen Artikel anhören

Bei der Entwicklung von elektronischen Produkten oder Komponenten ist zwangsläufig eine geeignete Spannungsversorgung erforderlich. Für Stromversorgungen, die von einigen 10 Watt bis zu mehreren Kilowatt (kW) reichen, kann es schwierig sein, die passenden Optionen zu finden. Bei Tausenden von Optionen, passenden Gleichrichtern, Leistungsreglern, Schaltern und Gate-Treibern kann die Suche den Entwicklungsprozess bremsen, die Kosten erhöhen und die Einhaltung von Fristen gefährden.

Um die Dinge zu vereinfachen, kann man mit dem Angebot an intelligenten Stromversorgungen eines vertrauenswürdigen Anbieters beginnen und dessen Online-Tools verwenden, um die optimale Wahl zu treffen. So lässt sich der Auswahl- und Entwicklungsprozess zum Beispiel mithilfe einer Matrix für Schaltnetzteilkomponenten (SMPS) beschleunigen, die nach Anwendung, Topologie, Geräten und kritischen Merkmalen sortiert ist.

Dieser Artikel geht kurz auf das Design von Schaltnetzteilen ein. Anschließend wird eine SMPS-Komponentenmatrix von onsemi vorgestellt, die Brückengleichrichter, Controller, Gatetreiber und Leistungsschalter verbindet, die mit jedem Leistungsniveau der Anwendung kompatibel sind. Er erläutert die wichtigsten Produktdefinitionen und gibt Beispiele für die Verwendung der Matrix zur Vereinfachung der Komponentenauswahl.

Design von Schaltnetzteilen

Betrachten Sie die Schlüsselelemente eines einfachen netzgespeisten SMPS, das für eine USB-Power-Delivery-Anwendung (PD) mit einer Leistung von 100 W vorgesehen ist (Abbildung 1). Für die Netz- oder Primärseite der Stromversorgung sind im Allgemeinen ein Gleichrichter, ein Leistungsfaktorkorrekturregler (PFC), ein Leistungsregler, ein Optokoppler, Gate-Treiber und Leistungsschalter nötig. Auf der Sekundärseite sind in der Regel ein Synchrongleichrichter-Controller (SRC), Synchrongleichrichterschalter (SR), ein USB-PD-Controller und ein Optokoppler erforderlich.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Die Komponenten für diesen Entwurf entsprechen dem Leistungsniveau. Bei der Entwicklung müssen die primärseitigen Topologien für PFC und Leistungsregelung sowie die sekundärseitigen Gleichrichter- und Reglertopologien festgelegt werden. Auf der Basis dieser Entscheidungen können dann die einzelnen Komponenten ausgewählt werden. Bei der nötigen Wahl der Stromversorgungskomponenten unterstützt die SMPS-Matrix von onsemi. (Abbildung 2).

Leistungsniveau und Leistungsdichte, die in den ersten beiden Spalten auf der linken Seite aufgeführt sind, dienen der SMPS-Matrix als Orientierung bei der anschließenden Designauswahl der Stromversorgungslösung. Dabei stehen die höchsten Leistungsstufen oben und nehmen zur untersten Zeile hin ab. Leistungsstufen von 5 W bis über 3 kW sind enthalten. Da die Leistungsdichte ein Maß für die Leistung pro Volumeneinheit ist, ergibt eine ultrahohe Leistungsdichte ein Netzteil, das kleiner ist als ein hochdichtes Gehäuse. Eine Alternative zu diesen beiden Packungsmöglichkeiten ist das flache Gehäuse. Mithilfe der Matrix wird der Spannungspegel der Stromversorgung entsprechend der Leistung eingestellt.

Jeder Eintrag in der Matrix enthält eine bis drei Zeilen mit empfohlenen Komponenten, die der gewählten Leistungsdichte entsprechen und ausgewählte Komponenten für die primär- und sekundärseitige Topologie bereitstellen. Einträge mit der Kennzeichnung N/A zeigen an, dass der Eintrag nicht für den jeweiligen Leistungspegel und die jeweilige Leistungsdichte gilt.

In der Spalte »Gleichrichter« sind die vorgeschlagenen Brückengleichrichterkomponenten für den entsprechenden Leistungspegel aufgeführt. In einigen Fällen ist der Eintrag brückenlos. Das ist dann der Fall, wenn eine Gleichrichterbrücke nicht benötigt wird, weil ein anderes Bauteil, zum Beispiel ein Totem-Pole-PFC, dessen Funktion ersetzt hat. Anhand der Einträge »Fast Leg« und »Slow Leg« in den PFC-Feldern lassen sich die Totem-Pole-PFCs schnell identifizieren. Diese PFCs verfügen über Schalter mit langsamen Zweigen (Slow Leg), die mit der Netzfrequenz arbeiten, während die Schalter mit schnellen Zweigen (Fast Leg) mit einer höheren typischen Schaltfrequenz arbeiten.

Auf Grundlage des gewünschten Leistungspegels schlägt die Matrix eine primäre Topologie vor. Empfohlen werden Regler mit einer der vier üblichen Topologien: Flyback (Switcher), Active Clamp Flyback (ACF), Quasi-Resonant-Flyback (QR) oder Induktivität-Induktivität-Kondensator (LLC).

Bei einem Sperrwandler (Flyback Converter) handelt es sich um eine isolierte Stromversorgungs-Topologie ohne direkte elektrische Verbindung zwischen der Primär- und der Sekundärseite. Wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet wird, überträgt die gekoppelte Induktivität Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite. Durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer festen Frequenz erfolgt die Spannungsregelung des Umrichters.

Ein ACF-Design verwendet das Flyback-Konzept einer gekoppelten Induktivität, um Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite zu übertragen. Zusätzlich kommt ein aktives Bauteil zum Einsatz, um die Streuinduktivität der gekoppelten Induktivität in einen Kondensator zu entladen oder zu klemmen, um die Belastung des MOSFET-Leistungsschalters zu minimieren.

Bei der QR-Flyback-Topologie werden die parasitäre Induktivität und Kapazität des Schaltkreises genutzt, um eine nahezu resonante Reaktion zu erzielen und den Leistungsschalter bei einem Minimum der Drain-Spannung einzuschalten. Dieses »sanfte Schalten« reduziert die Schaltverluste des Wandlers. Mit der Last variiert die daraus resultierende Schaltfrequenz.

Um eine echte Null-Drain-Spannungsschaltung zu gewährleisten, arbeitet der LLC-Wandler schließlich mit einem vollresonanten Verhalten. Er reduziert die Schaltverluste auch im Leerlauf und eignet sich gut für höhere Leistungen.

Dazu sind die empfohlenen Regler um bestimmte Leistungsbereiche herum gruppiert. Der Switcher wird für die niedrigsten Leistungsstufen, der QR und ACF für mittlere Leistungsstufen und die LLC-Wandler für höhere Leistungsstufen verwendet.

Zur Matrix gehören detaillierte SMPS-Blockdiagramme. Diese veranschaulichen die Verbindungen zwischen den Komponenten für elf spezifische Designs und decken fünf verschiedene Leistungsstufen und -dichten ab, die auf beschrifteten Registerkarten verfügbar sind (Abbildung 3).

Sobald ein Leistungspegel und eine Leistungsdichte ausgewählt sind, können die Komponenten aus den entsprechenden Zeilen des Leistungspegels und den topologiespezifischen Spalten der Matrix ausgewählt werden. Wenn Sie auf die mit einem Hyperlink versehenen Bauteilnummern klicken, öffnet sich eine erweiterte Ansicht der Matrix. Darin sind die hervorgehobenen Nummern mit den DigiKey-Bauteilnummern verknüpft (Abbildung 4). Alle in der ausgewählten Zeile und Topologie aufgeführten Komponenten sind miteinander kompatibel.

Verwendung der Matrix

Ein hervorragendes Beispiel für eine mittlere Leistungsstufe ist ein 100-W-SMPS für USB-PD, ähnlich wie das in Abbildung 1 gezeigte Blockdiagramm. In der Matrix deckt die Reihe mit den Leistungsstufen von 70 bis 200 W die erforderliche Leistung von 100 W ab. Wenn Sie aus der Spalte »Leistungsdichte« die Option »Hoch« auswählen, wird die erweiterte Matrix mit Links zu den erforderlichen Komponenten angezeigt (Abbildung 5).

Internationale Vorschriften, vor allem in der Europäischen Union, legen die Verwendung von PFC bei einer Leistung von 75 W oder mehr fest. Als PFC-Controller wird dafür der NCP1623 von onsemi empfohlen. Dieser kleine Boost-PFC-Controller unterstützt bis zu 300 W für schnellladende Netzteile und modulare Computer-Netzteile, für die Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit, hoher Leistungsfaktor sowie Effizienz wesentliche Anforderungen sind. Er erfordert einen externen Brückengleichrichter – empfohlen wird der GBU6M oder der GBU6K von onsemi. Dazu kommt noch der kompatible PFC-Leistungsschalter NTP125N60S5H von onsemi, ein schneller MOSFET mit einer maximalen Drain-Source-Spannung (VDSS) von 600 V, einem maximalen Drainstrom (ID) von 22 Ampere (A) und einem Drain-Source-Durchlasswiderstand (RDS(ON)) von 125 Milliohm (mΩ).

Als primärseitiger Controller wird der Hochfrequenz-QR-Flyback-Controller NCP1343 von onsemi empfohlen. Er ist ein idealer Controller für AC/DC-Adapter und Open-Frame-Stromversorgungen, da er alle notwendigen Komponenten enthält, die in modernen SMPS-Designs erforderlich sind. Er ist auf den Leistungsschalter NVD260N65S3 abgestimmt, der für 650 VDSS, 12 A ID und einen RDS(ON) von 260 mΩ ausgelegt ist.

Auf der Sekundärseite des Netzteils kommt der Synchrongleichrichtungstreiber NPC4307 von onsemi zum Einsatz. Er gewährleistet eine effiziente Synchrongleichrichtung, wenn er mit dem MOSFET-Schalter NTMFSC010N08M7 von onsemi verwendet wird, der für 80 VDSS, 61 A ID und einen RDS(ON) von 10 mΩ ausgelegt ist.

Letzter wichtiger Schritt im Designprozess ist die Auswahl des USB-PD-Controllers, der den Optokoppler auf der Sekundärseite eines AC/DC-Adapters oder eines DC/DC-Port-Stromreglers verwalten kann. Dazu schlägt die Matrix den onsemi PD3.0-Protokoll-Controller FUSB15101 (mit USB-PPS-Unterstützung (PPS = Programmable Power Supply)) am Stromversorgungsausgang mit einem N-Kanal MOSFET NTTFS4C02NTAG von onsemi mit 30 VDSS und 164 A ID vor. Sein RDS(ON) beträgt 2,25 mΩ bei 10 V und 3,1 mΩ bei 4,5 V.

All dies resultiert schließlich in einer Stromversorgung, die als Evaluierungsboard NCP1343PD100WGEVB von onsemi erhältlich ist. Es deckt den Ausgangsspannungsbereich von 3,1 bis 21 V ab. Sein durchschnittlicher Wirkungsgrad liegt bei 92 Prozent bei einer Eingangsspannung von 115 V oder 230 VAC. Das Evaluierungsboard passt in ein 60 x 60 x 19 mm großes Gehäuse und bietet eine Leistungsdichte von 24 W pro Kubikzoll (W/in3).