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Texas Instruments: Fly-Buck-Wandler

Elektromagnetische Verträglichkeit und Isolation für SPS-Anwendungen

9. November 2015, 13:49 Uhr | Von Timothy Hegarty, Systems Engineer, Non-Isolated Power Solutions von Texas Instruments

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Implementierung der Fly-Buck-Schaltung

Die in Bild 2 gezeigte Schaltung basiert auf dem 65-V-Synchronregler LM5160. Es handelt sich um einen EMV-konformen Fly-Buck-Wandler, der aus einer Sekundärwicklung isolierte Ausgangsspannungen von ±12 V bereitstellt. Die Ausgangsspannungen werden mit dem Windungsverhältnis NP/NS des Transformators T1 skaliert. Zusätzlich ist ein primärseitiger 12-V-Ausgang (VAUX) vorhanden. Die gestrichelte rote Linie deutet den Verlauf der Isolationsbarriere an. Bei den oben eingezeichneten Schaltungsteilen handelt es sich um das EMV-Filter mit Gleichtaktdrossel, X- und Y-Kondensatoren, Dämpfungswiderstand, einer bidirektionalen TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) zur Spannungsbegrenzung sowie einer in Sperrrichtung gepolten Schutzdiode.

Optimierung von EMV und Isolation

Mit ihrer großen Vielseitigkeit erfüllt die Fly-Buck-Topologie die Anforderungen in Hinblick auf EMV und Isolation. Bei EMV-Schutzschaltungen sollen typischerweise externe Transienten mit geringer Impedanz zur Masse abgeleitet und die Schaltung damit vor Schäden geschützt werden. Ein Fly-Buck-Regler mit großem VIN-Bereich erlaubt die Verwendung einer TVS-Diode, die trotz höherer Spannung und niedrigerer Leistung und weniger Platzbedarf die für die Leistungsstufe geforderte Beständigkeit gegen eingangsseitige Transienten bietet. Die Wahl der TVS-Betriebsspannung beruht auf der dynamischen Impedanz der TVS-Diode und dem zu erwartenden Spitzenstrom. Y-Kondensatoren (in Bild 2 mit CY1 und CY2 bezeichnet) leiten die transiente Energie von den Eingangsleitungen an die Gehäusemasse ab. Außerdem sind kleine Ferritperlen vorhanden, die für eine hohe Impedanz an besonders empfindlichen Knoten der Signalkette sorgen, an denen eine hohe Dämpfung benötigt wird.

Im Handel sind schlanke Transformatoren mit einer Isolationsspannung bis zu 4,5 kVpeak verfügbar. Es versteht sich, dass höhere Isolationsspannungen größere Wicklungsabstände und damit auch höhere Streuinduktivitäten mit sich bringen. Glücklicherweise sind Fly-Buck-Wandler unempfindlicher gegenüber Streuinduktivitäten als entsprechende Sperrwandler. Beim Fly-Buck-Wandler kommt es auf der Primärseite zu keiner durch die Streuinduktivität bedingten Spannungsspitze, sodass die Eingangsspannung größere Reserven für Transienten aufweist. Hilfreich für die EMV ist ferner, dass der primärseitige Strom eines Fly-Buck-Wandlers einen geringeren Oberschwingungsgehalt aufweist als bei einem Sperrwandler.

Anzumerken ist, dass industrielle 24-V-Busse typischerweise mit einer doppelten oder verstärkten Isolation versehen sind. Eine funktionale Isolation für eine Dauerspannung von 500 V DC ist deshalb üblicherweise ausreichend für die sich anschließenden Leistungsstufen. Die meisten Sensoren übertragen ihre Messgrößen beispielsweise meist mithilfe einer 4-20-mA-Stromschleife, um Einschränkungen durch Rauschen oder die Übertragungsdistanz zu vermeiden. In einem solchen Fall sorgt eine isolierte Versorgungsspannung für eine höhere Signalgenauigkeit. Sie verhindert außerdem, dass es beim Anschluss an andere Geräte zu Problemen durch Störströme kommt. Beispielsweise sollte für eine Basis- oder verstärkte Isolation bei der Versorgung digitaler Datenisolatoren das magnetische Bauteil so gewählt werden, dass es die ge-forderte Isolationsklasse bietet. Das Leiterplatten-Layout ist darüber hinaus so auszuarbeiten, dass die in der jeweiligen Norm vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden.

Fazit

Speicherprogrammierbare Steuerungen für Fabrikautomations- und Steuerungs-Anwendungen stellen ganz spezifische Anforderungen an das Design der Stromversorgung. Fly-Buck-Wandler mit großem Eingangsspan-
nungsbereich erfüllen diese Anforderungen und zeichnen sich durch einfache Anwendung, kleine Abmessungen, Sicherheitsisolation, EMV-Konformität und niedrige Gesamt-Materialkosten aus. Je mehr anspruchsvolle isolierte Applikationen realisiert werden müssen, desto mehr wird die Einhaltung der behördlichen Vorschriften zu einem wichtigen Beurteilungskriterium für Stromversorgungen in industriellen Anwendungen werden. (st)