PWM-Controller für alle Ansprüche
Flexible Hilfsstromversorgungen auf Flyback-Basis
Flyback-Hilfsstromversorgungen (20 bis 200 W) sind in Industrie und Ladegeräten weit verbreitet. Rohms BD28Cxx-PWM-Controller-ICs bieten flexible, pin-kompatible Varianten mit angepassten UVLO-Pegeln, ideal für verschiedene Eingangsspannungen und Anwendungen.
Anwendungen wie Motorantriebe, Off-Board-Ladegeräte, USV und Stromversorgungseinheiten benötigen neben der Hauptstromversorgung eine Hilfsstromversorgung, welche die 5, 12 oder 24 V für den Betrieb von Niederspannungskomponenten wie Mikrocontroller, Gate-Treiber, Lüfter etc. liefert.
Bild 1 zeigt verschiedene Anwendungen mit Hilfsstromversorgungen. Diese sind üblicherweise im Bereich von 20 bis 200 W zu finden. Dabei wird meist eine Flyback-Topologie verwendet. Abhängig von der Ausgangsleistung und den Kühlmethoden kommt entweder eine Flyback-IC-Lösung mit integriertem oder externem Leistungsschalter zum Einsatz. Entwickler wünschen sich typischerweise die Flexibilität, die es ihnen ermöglicht, die Schaltungen der Hilfsstromversorgung mit minimalem Redesign-Aufwand und wenigen externen Komponenten an unterschiedliche Leistungsklassen anzupassen. Rohm hat dafür die BD28Cxx-Serie von PWM-Stromreglern für Flyback-Anwendungen mit externem Schalter entwickelt, die speziell auf die Herausforderungen der Entwickler von Hilfsstromversorgungen zugeschnitten sind.
Die grundlegenden Herausforderungen bei Hilfsstromversorgungen
Eine Hilfsstromversorgung wird typischerweise aus 230, 400 oder 690 V (AC), im Falle von Anwendungen wie industriellen Antrieben – oder aber 1500 V (DC) im Falle von PV-Systemen erzeugt. Für solche Anwendungen kann je nach Eingangsspannung und Ausgangsleistung eine Vielzahl von Leistungshalbleitern in einer Flyback-Topologie verwendet werden. Die Palette reicht von Si-MOSFETs über IGBTs bis hin zu SiC-MOSFETs. Jeder dieser Leistungshalbleiter erfordert unterschiedliche Gate-Spannungen. Unter dem Gesichtspunkt der Gerätesicherheit muss der Betrieb des Bauelements unterhalb einer bestimmten Gate-Spannung vermieden werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern.Der Gate-Treiber- oder Controller-IC muss mit einer geeigneten Unterspannungssperrfunktion (UVLO) ausgestattet sein, um den Betrieb des Leistungshalbleiters unterhalb der empfohlenen Gate-Spannung zu verhindern.
Bild 2 zeigt die Vorwärtskennlinien, die Bereiche des thermischen Durchgehens und die UVLO-Anforderungen von drei verschiedenen Typen von Leistungsbauelementen. Die Vorwärtseigenschaften der einzelnen Leistungsbauelemente sind unterschiedlich. Daher sind verschiedene UVLO-Pegel erforderlich, um jedes dieser Bauelemente sicher zu betreiben. Dies führt auch zur ersten Herausforderung.
Obwohl sich die weltweite Halbleiterknappheit zu entspannen beginnt, bleibt das Angebot bestimmter Halbleiterkomponenten für industrielle Anwendungen weiter hinter der Nachfrage zurück. Dies gilt insbesondere für PWM-Controller-ICs, bei denen die meisten von verschiedenen Halbleiteranbietern angepriesenen Varianten einer älteren Produktgeneration angehören, die entweder das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben oder nur für den Betrieb mit siliziumbasierten Leistungshalbleitern geeignet sind.
Der Trend geht zunehmend zum Einsatz von SiC-MOSFETs in den Hilfsstrom-versorgungsanwendungen für 400/690-V-(AC)-Applikationen. Auf dem Markt ist jedoch nur eine begrenzte Anzahl von PWM-Controllern verfügbar. Dies führt zur zweiten Herausforderung: Die Entwickler bevorzugen Lösungen, die Pin-zu-Pin-kompatibel mit den auf dem Markt erhältlichen Standardprodukten sind. So wird die Langlebigkeit des Endprodukts gewährleistet und gleichzeitig können neue SiC-basierte Lösungen zuverlässig betrieben werden.
Überblick und Hauptmerkmale der BD28Cxx-Serie von Rohm
Die BD28Cxx-Serie von Rohm umfasst PWM-Typen mit Stromregelung. Bild 3 zeigt eine Übersicht über Gehäuse, Pinning und Blockdiagramm der Produktfamlie. Zu den wesentlichen Merkmalen gehören dieser Serien gehören folgende Eigenschaften:
➔ Großer Spannungsbereich für die Eingangsversorgung von 6,9 V bis 28 V
➔ Niedriger Betriebsstrom der Schaltung von 2 mA
➔ Über externen Widerstand und Kondensator einstellbare Schaltfrequenz
➔ VDD-UVLO-Reihe, die sowohl Si-MOS-, SiC-, IGBT- und GAN- Leistungsbauelemente unterstützt
➔ EN/Deaktivierung über COMP-Pin
➔ Zyklusweiser Überstromschutz
➔ Thermischer Shutdown-Schutz
➔Kompaktes SOP-J8-Gehäuse (entspricht dem JEDEC SOIC8-Gehäuse).
Die BD28Cxx-Serie ermöglicht durch die Verwendung eines Strommesswiderstandes am CS-Pin ein flexibles Design von Stromversorgungen. Der Strom wird in jedem Zyklus begrenzt.
Dank der Stromregelung werden hervorragende Leistungen sowohl bei der Bandbreite als auch beim Einschwingverhalten erzielt. Die Schaltfrequenz wird über eine externe Widerstand/Kondensator-Kombination am RTCT-Pin eingestellt.
Bild 3a zeigt eine typische BD28Cxx-Anwendung. Je nach Anwendungsanforderungen ist sowohl eine Optokoppler-Rückkopplung zum COMP-Pin als auch eine Spannungsrückkopplung zum FB/COMP-Pin möglich.
Besonderheiten der BD28Cxx-Serie
Die neue BD28Cxx-PWM-Controller- Serie wurde hauptsächlich entwickelt, um die im vorherigen Abschnitt ge- nannten Probleme zu lösen. Diese Controller bieten den Anwendern drei wesentliche Vorteile:
➔ IC-/Produktvarianten mit unterschiedlichen UVLO-Pegeln zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leistungshalbleitern
➔ die Produkte sind Pin-zu-Pin- kompatibel zu den auf dem Markt erhältlichen Standardprodukten
➔ enge Schwellenwerte, die die BOM-Kosten senken und die Sicherheit verbessern
Die Tabelle zeigt die Produktfamilie der neuen BD28Cxx-Controller, von denen sich vier Varianten in der Serienfertigung und zwei Varianten in der Entwicklung befinden.
Jede dieser Varianten verfügt über einen anderen UVLO-Pegel, der auf die sichere Ansteuerung verschiedener Leistungshalbleiter abgestimmt ist und somit die zentrale Herausforderung für die Entwickler löst und Flexibilität bietet.
Alle IC-Varianten sind Pin-zu-Pin-kompatibel mit auf dem Markt erhältlichen Standardprodukten. Dadurch können Produkte älterer Generationen von verschiedenen Halbleiterherstellern schnell ersetzt werden, was eine lange Lebensdauer des Endprodukts ermöglicht. Um den Aufwand für Neuentwicklungen zu verringern und Änderungen zu vermeiden, wurden die Produkte als »Plug-and-play«-Lösung konzipiert. Neue Hilfsstromversorgungs-Plattformen, die auf SiC-MOSFETs basieren, können zuverlässig betrieben werden, da die Produkte die Anforderungen an den sicheren Betrieb der Geräte erfüllen.
Wichtige elektrische Parameter wie UVLO-Schwellenwerte und Strommessgrenzen wurden mit einer hohen Genauigkeit von 5 Prozent entwickelt. Damit übertreffen sie die Produkte der Wettbewerber, deren Genauigkeit bei 10 Prozent liegt. Enge Current-Sense-Grenzwerte ermöglichen es den Entwicklern, kostengünstigere Lösungen für Shunt-Widerstände zu wählen und so die BOM-Kosten zu senken. Niedrige UVLO-Grenzwerte verbessern die Genauigkeit der Anlaufzeit und damit die Sicherheit des Gesamtsystems.
- Flexible Hilfsstromversorgungen auf Flyback-Basis
- BD28C57HFJ-Evaluierung in einer Flyback-Stromversorgung
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