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Controller-ICs für Schaltregler

Abwärtswandler-ICs können mehr

16. August 2019, 10:43 Uhr   |  Von Jian Yin


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Bipolare Stromversorgung mit einem Abwärtswandler-IC

Viele Schaltungen wie Operationsverstärker und Analog-Digital-Umsetzer benötigen eine bipolare Stromversorgung mit ±5 V oder ±12 V. Eine gängige Methode ist der Einsatz eines einzelnen Schaltreglers zusammen mit einer gekoppelten Induktivität – oft auch als Transformator bezeichnet – zur Erzeugung einer negativen und einer positiven Ausgangsspannung. Wie ein klassischer Abwärtswandler oder ein Aufwärts-/Abwärtswandler für negative Ausgangsspannungen zum Bau einer bipolaren Stromversorgung einsetzt werden kann, ist in Bild 4 dargestellt.

Wie Bild 4a zeigt, lässt sich der ISL85410 zunächst als Abwärtswandler beschalten, der die positive Ausgangsspannung +UA regelt. Anschließend wird die negative Ausgangsspannung –UA über eine zusätzliche gekoppelte Wicklung erzeugt. Die positive Ausgangsspannung +UA wird wie bei einem Abwärtswandler geregelt, die negative Ausgangsspannung –UA entspricht beim Windungsverhältnis 1:1 dem Wert von +UA mit entgegengesetzter Polarität. Die Vorwärtsspannung der Gleichrichterdiode D1 wird aus Gründen der Einfachheit vernachlässigt.

Die Ersatzschaltungen einer bipolaren Stromversorgung nach dem Abwärtswandler-Prinzip in Bild 5 verdeutlichen das Verhalten während der Zeitabschnitte wenn der FET T1 leitet (TV × T) und wenn der FET T2 leitet (1 – TV) × T. Während des Zeitabschnitts TV × T ist der FET T1 aktiv, sodass die Gleichrichterdiode D1 in Sperrrichtung gepolt ist, und daher kein Strom in der Sekundärwicklung fließt. Während des Zeitabschnitts (1 – TV) × T ist T1 im Aus-Zustand und der Strom Ip fließt durch den FET T2.

Bipolare Stromversorgung, Bilder 4-6

 Vereinfachter Schaltplan einer bipolaren Stromversorgung nach dem Abwärtswandler-Prinzip (a) und nach dem Prinzip eines Aufwärts-/Abwärtswandlers mit dem eine negative Ausgangsspannung erzeugt wird (b
 In den beiden Ersatzschaltungen einer bipolaren Stromversorgung nach dem Abwärtswandler-Prinzip lässt sich die Funktion in den beiden Phasen – T1 leitend, T2 leitend – und die Regelung der negativen Ausgangsspannung proportional zur positiven Ausgan
Mit der Simulations-Software SIMPLIS lassen sich die Signalverläufe der bipolaren Stromversorgung nach dem Abwärtswandler-Prinzip (aus Bild 5) darstellen und analysieren

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Die Spannung über der Sekundärwicklung (Us) entspricht +UA, sodass D1 leitet, um den Ausgangskondensator CA2 zu laden und Strom an die Last zu liefern. Es empfiehlt sich, den Wandler so zu konfigurieren, dass er im Modus mit kontinuierlichem Stromfluss (CCM, Continuous Conduction Mode) arbeitet, um eine gute Spannungsregelung für die negative Ausgangsspannung –UA zu gewährleisten.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise der bipolaren Stromversorgung wurde ein SIMPLIS-Modell einer Stromversorgung mit dem ISL85410 erstellt und simuliert. Die wichtigsten Parameter dieser Simulation sind:

  • Eingangsspannung UE: 24 V
  • Positive Ausgangsspannung +UA: 5 V
  • Negative Ausgangsspannung –UA: –5 V
  • Stromstärke positiver Ausgang +IA: 100 mA
  • Stromstärke negativer Ausgang –IA: –100 mA
  • Schaltfrequenz f: 500 kHz

Die simulierten Spannungs- und Stromdiagramme zeigt Bild 6. Während des Zeitabschnitts (1 – TV) × T bei aktivem FET T2 bewirkt der Übertragerstrom aus der Sekundärwicklung (Is), dass der gesamte Primärstrom (Ip) einen negativen Wert annimmt. Dieser negative Strom sollte durch eine geeignete Auslegung der Schaltung so niedrig wie möglich gehalten werden, um ein Ansprechen der negativen Strombegrenzung im Abwärtsregler unter normalen Betriebsbedingungen zu vermeiden.

 Vergleich von bipolaren Stromversorgungen, realisiert auf der Basis eines Abwärtswandlers und auf der Basis eines Aufwärts-/Abwärtswandlers
© Renesas

Tabelle. Vergleich von bipolaren Stromversorgungen, realisiert auf der Basis eines Abwärtswandlers und auf der Basis eines Aufwärts-/Abwärtswandlers.

Das andere Konzept aus Bild 4b nutzt einen Aufwärts-/Abwärtswandler für negative Ausgangsspannungen, um eine bipolare Stromversorgung aufzubauen. Hier wird die positive Ausgangsspannung über eine gekoppelte Wicklung gewonnen.

Im Gegensatz zu einer bipolaren Stromversorgung auf Basis eines Abwärtswandlers kann die Schaltung mit Aufwärts-/Abwärtswandler die Ausgangsspannung auch von einer Eingangsspannung erzeugen, die niedriger als die Ausgangsspannung ist (Aufwärtswandlung). Allerdings ist dabei die Spannungsbelastung für die FETs höher als bei der Abwärtswandler-Methode.

In der Tabelle werden beide Methoden verglichen. Sie liefert Hinweise zur Auswahl der für eine spezifische Anwendung am besten geeigneten Schaltung.

Galvanisch trennende Stromversorgung mit einem Abwärtswandler-IC

Oft sind galvanisch voneinander getrennte Ausgangsspannungen erforderlich, um eine höhere Sicherheit und Störunempfindlichkeit zu gewährleisten. Gängige Anwendungsbeispiele dafür sind speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), elektronische Elektrizitätszähler und Stromversorgungen für IGBT-Treiber. Sperrwandler und Gegentaktdurchflusswandler sind hierfür beliebte und kosteneffiziente Schaltungen.

 Um eine galvanisch getrennte Ausgangsspannung zu erzeugen, können die Schaltungen aus Bild 4 verwendet werden: a) Abwärtswandler, b) Aufwärts-/Abwärtswandler. Es müssen nur die Ausgangsanschlüsse getrennt bleiben
© Renesas

Bild 7. Um eine galvanisch getrennte Ausgangsspannung zu erzeugen, können die Schaltungen aus Bild 4 verwendet werden: a) Abwärtswandler, b) Aufwärts-/ Abwärtswandler. Es müssen nur die Ausgangsanschlüsse getrennt bleiben.

Allerdings benötigt ein Sperrwandler in der Regel einen Optokoppler oder eine Hilfswicklung zur Regelung der Ausgangsspannung. Sperrwandler erzeugen darüber hinaus hohe Spannungsspitzen, sodass in der Regel ein zusätzliches RCD-Löschglied (Snubber) erforderlich ist. Gegentakt-Gleichspannungswandler mit einem festen Tastverhältnis von 50 % bieten entweder eine schlechte Ausgangs-spannungsregelung oder benötigen einen Linearregler (LDO, Low Drop-out) für eine genaue Ausgangsspannungsregelung.

Die zusätzliche Ausgangsspannung wird in den Stromversorgungen aus Bild 4 durch Hinzufügen einer magnetisch gekoppelten Wicklung an die Induktivität in einem Abwärts- oder einem Aufwärts-/Abwärtswandler erzeugt. Eine isolierte Ausgangsspannung lässt sich durch eine Isolierung der Rückleitungen an diesen zwei Ausgängen einfach erzielen (Bild 7). Dieser Ansatz ist in jüngster Zeit besonders beliebt.

Version mit einem isolierten Ausgang

Zwei Schaltungen zur Erzeugung einer galvanisch isolierten Ausgangsspannung auf der Basis eines Abwärtswandler-ICs sind in Bild 7 dargestellt. Sie ähneln der bipolaren Stromversorgung aus Bild 4, nur dass die Rückleitungen (Bezugspotenzial) der zwei Ausgänge voneinander getrennt sind. Im Unterschied zu einer bipolaren Stromversorgung, bei der das Windungsverhältnis des Übertragers 1:1 beträgt, lässt sich das Windungsverhältnis an die gewünschte Ausgangsspannung auf der Sekundärseite anpassen, damit der Controller mit einem optimalen Tastverhältnis arbeiten kann.

Die galvanisch trennende Stromversorgung mit einem Abwärtswandler-IC bietet verschiedene Vorteile. Die Abwärtswandler-Methode aus Bild 7a kommt häufig zum Einsatz und dient hier als Beispiel zur Erläuterung ihrer Vorteile. Zunächst einmal entfällt dabei der Optokoppler oder die Tertiärwicklung für die Regelschleife, die in einem Sperrwandler benötigt würde. Weiterhin bietet die Abwärtswandler-Methode auf der Primärseite gegenüber einem Sperrwandler eine geringe Spannungsbelastung für die FETs der Primärseite. FETs mit einer niedrigeren maximalen Sperrspannung bedeuten einen kleineren Ein-Widerstand und einen höheren Wirkungsgrad. Als Drittes ist die Ausgangsspannung (UA1) der Primärseite gut geregelt, und die isolierte Ausgangsspannung (UA2) entspricht bei einem 1:1-Windungsverhältnis UA1, was eine gute Ausgangsspannungsregelung auf der Sekundärseite über einen weiten Eingangsspannungsbereich erlaubt.

Mit den Schaltungen aus Bild 7 – a) Abwärtswandler, b) Aufwärts-/Abwärtswandler – lassen sich auch mehrere voneinander isolierte Ausgangsspannungen erzeugen. Der Transformator muss dazu nur um weitere Wicklungen ergänzt werden
© Renesas

Bild 8. Mit den Schaltungen aus Bild 7 – a) Abwärtswandler, b) Aufwärts-/Abwärtswandler – lassen sich auch mehrere voneinander isolierte Ausgangsspannungen erzeugen. Der Transformator muss dazu nur um weitere Wicklungen ergänzt werden.

Dies ermöglicht eine bessere Spannungsregelung im Vergleich zu einem Gegentakt-Gleichspannungswandler ohne zusätzliche LDOs. Schaltregler-ICs für Abwärtswandler wie der ISL85410 mit interner Kompensation ermöglichen es, diese Ansätze einfach umzusetzen. Die in der Tabelle aufgeführten Vor- und Nachteile gelten auch für die galvanisch isolierte Stromversorgung, bei der ein Abwärtswandler-IC zum Einsatz kommt.

Version mit mehreren isolierten Ausgängen

Mehrere, voneinander isolierte Ausgangsspannungen lassen sich durch zusätzliche gekoppelte Wicklungen realisieren (Bild 8). Die Funktionsweise ähnelt der Schaltung mit einem galvanisch isolierten Ausgang.

Literatur

[1] ISL85410 Wide VIN 1A Synchronous Buck Regulator. Renesas, Datenblatt, 15. März 2019, www.renesas.com/eu/en/www/doc/datasheet/isl85410.pdf.

[2] Integrated FET Regulators. Renesas, www.renesas.com/eu/en/products/power-management/switching-regulators/integrated-fet-regulators.html.

Der Autor

Yin-Jian von Renesas
© Renesas

Jian Yin von Renesas

Jian Yin, Ph.D.

ist leitender Applikationsingenieur für industrielle Stromversorgungsprodukte bei Renesas Electronics America. Er ist verantwortlich für die Entwicklung von Schaltreglern und Leistungsmodulen sowie für die technische Unterstützung der Kunden.

Yin hat acht US-Patente angemeldet und über 50 Zeitschriftenbeiträge und Fachaufsätze veröffentlicht. Er hat einen Ph.D. in Elektrotechnik von der Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, USA.

jian.yin@renesas.com

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