Controller für Ladegeräte entsprechend dem Five-Star-Rating-System der Handy-Hersteller
30 mW Leistungsaufnahme ohne Last
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
30 mW Leistungsaufnahme ohne Last
Die Zwischenkreisspannung stellt den Primärstrom für T1 und den Start-up-Strom für IC1 über den Widerstand Rht zur Verfügung. Weil IC1 in einem 3,3-V-CMOS-Prozess gefertigt wird und maximal 7 μA beim Einschalten benötigt, kann der Widerstand von Rht sehr hoch sein. Die Anlaufzeit liegt unter 1 ms. Im Betrieb zieht IC1 maximal 2 mA von der primärseitigen Hilfswindung und reguliert intern VDD. Insgesamt liegt die Leistung, die erforderlich ist, um IC1 zu starten und die Schaltfrequenz bei 1 kHz zu halten, bei rund 12 bis 14 mW. Bei 10 mW wird der Lastwiderstand Rout zur nächsten dominanten leistungsaufnehmenden Komponente. Sein Widerstandswert regelt das Leistungslevel auf der Primärseite und stabilisiert die Ausgangsspannung ohne externe Last. Parasitäre Verluste, etwa im Transformator, addieren sich zu rund 2 mW auf. Die gesamte Leistungsaufnahme ohne Last liegt bei 25 W.
Weil die Tangenten-Detektionstechnik von CamSemi die Feedback-Kurvenform pro Zyklus untersucht, können auch bei niedrigen Schaltfrequenzen sehr schnelle Lastsprungantworten erzielt werden. Bild 2 zeigt die Abfolge der Ereignisse nach einem 500-mA-No-Load- zu einem Volllast-Schritt. Die untere Kurve zeigt den Lastschritt, der einen Ausgangsspannungs-Einbruch in der darüber aufgezeichneten Spannungskurve verursacht. Der erste steile Teil des Einbruchs ist durch IR-Verluste verursacht, der auf externen Einflüssen wie dem Kabeldurchmesser beruht. Den zweiten weniger steilen Abfall erzeugt der sich entladende Ausgangs-Kondensator. In der Zwischenzeit erkennt der Controller den Spannungs-Einbruch und erhöht sofort die Schaltfrequenz, wie die obere Kurve zeigt. In diesem Fall führt dies dazu, dass die Spannung nicht unter den Wert von 0,8 V abfällt. Dabei stabilisiert sich die Ausgangsspannung innerhalb von 4 ms. Das ist deutlich unter den 10 ms, die das AD-2971-Referenzdesign fordert.
Die Primary-Side-Sensing-Technik ist nicht neu. Neu ist aber die auf ±5 Prozent genaue Spannungs- und Stromregulierung. Gegenüber bisherigen Designs, die ±10 bis ±15 Prozent erreichen, ist das eine deutliche Verbesserung. Der Schlüssel liegt in der von CamSemi entwickelten und patentierten Methode, mit deren Hilfe die Ausgangsspannung und die Ströme des ICs gemessen werden. Der Controller reagiert auf Änderungen der Ausgangslast, indem er den Spitzenstrom über den Schalter Q1 und die Schaltfrequenz anpasst. Die minimale Schaltfrequenz ist vor allem durch die Last gegeben, die der Controller und der Ausgangswiderstand Rout unter No-Load-Bedingungen darstellen. Cosc und Rosc bestimmen die max. Volllast-Frequenz. Für die ICs vom Typ C2161/ 2162PX2 liegt dieses Maximum bei 36 bis 66 kHz. Das Windungsverhältnis des Transformators bestimmt das maximale Tastverhältnis, das für eine universelle externe Stromversorgung typisch bei 50 Prozent liegt. Die Leistungswandlung geschieht immer im Discontinous Conduction Mode.
Wie Bild 1 zeigt, schaltet der Controller T1, indem er den Emitter von Q1 als Koaskode betreibt, und damit einen kostengünstigen Bipolartransistor statt eines teureren MOSFET nutzt. Die Slew-Rate-Kontrolle am SD-Pin des Controllers minimiert die Abstrahlungen. Die Spannungsteiler bestehend aus Rfb1 und Rfb2 skalieren die Kurve über die Hilfswicklung von T1, während Cfb1 die Gleichspannung blockiert und es dem Controller erlaubt, die Feed Back-Kurve auf einen Wert zwischen Masse und Versorgungsspannung zu setzen. Damit kann der Chip die gesamte Kurve analysieren anstatt nur den positiven Anteil, wie das bisherige Verfahren tun. (Bild 3)
In Bild 3 ist FB die Kurvenform am Feedback-Pin des Chips. Ip und Is sind die Strom-Kurven, die über den primärseitigen Strommesswiderstand Rcs entstehen. Die Ausgangsspannung lässt sich nur während der Flyback-Time tDCHARGE beobachten. Die höchste Genauigkeit erfordert es, am Kniepunkt zu samplen, wenn der Strom auf Null abfällt, wie die Kurve Is zeigt.
Den Kniepunkt genau zu ermitteln, ist also wesentlich. Die »Tangenten Detection«-Technik von CamSemi nutzt eine Kombination aus analogem High-Speed-Sampling und Signalverarbeitungstechnik, um die Änderung der Kurve (dV/dt) zu ermitteln, wenn sie von tDCHARGE durch Null geht. Wie Bild 4a zeigt, ist die Steilheit während tDCHARGE eine Funktion des Ausgangsstroms und des IC-Widerstandes für eine gegebene Leistung. Die Periode in Bild 4b zwischen Knie und Nullpunktdurchgang ist das Viertel einer Sinusschwingung, deren Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Transformators korrespondiert. Eine Referenz-Steigung dV/dt zwischen den bekannten Steigungen zu auszuwählen, bestimmt den Sample-Point.
Weil die FB-Schwingung direkt die tCHARGE-Messung zur Verfügung stellt und tDCHARGE genau bekannt ist, kann der Ausgangsstrom bestimmt werden, indem die Spannung Ip gemessen wird, die der Strommesswiderstand Rcs liefert. Der Spike, der beim Einschalten von Q1 auftritt, wird ausgeblendet. Die Rechnung für den Sekundärstrom sieht dann folgendermaßen aus: Der Ausgangsstrom Iout ist gleich K mal Ip, multipliziert mit dem Quotienten aus tDCHARGE und tCHARGE. Dabei ist K das Windungsverhältnis des Transformators. Bild 5 zeigt die typische CC/CV-Ausgangscharakteristik, die die ICs C2161/2162PX2 erreichen, während sie die Ausgangsspannungswelligkeit auf unter 200 mV Spitze zu Spitze halten – ohne dabei irgendwelche sekundärseitige Komponenten für Messungen zu benötigen.
Die Tangenten-Detection-Technik erlaubt es außerdem, annäherungsweise Zero-Voltage-Switching für den Primärstrom des Transformators durchzuführen. Das erhöht den Wirkungsgrad, minimiert den Stress für die Leistungskomponenten und reduziert Abstrahlungen. Die Worst-Case-EMI, die das Referenzdesign AD-2971 für einen 4,8-W-Ladegerät erreicht, liegt mehr als 6 dB unterhalb der Werte nach EN 55022. »Energy Star V2« und der »EC Code of Conduct V4« verlangen, dass der Wirkungsgrad bei 100 Prozent, 75 Prozent, 50 Prozent und 25 Prozent der Volllast einen Wert von 75 Prozent nicht unterschreitet. Auch diese Bedingung erfüllt die Schaltung ohne Schwierigkeiten. (ha)
Neil Massey
ist Product Line Manager für AC/DC-Controller von CamSemi.
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