Digitale Stromversorgungen
Isoliert für mehr Sicherheit
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Digitalisolator
In Bild 3 ist das Blockdiagramm einer digitalen Stromversorgung dargestellt, die auf einer Digitalisolatorlösung basiert. Der zweikanalige Digitalisolator ADuM3210 wird zur digitalen Isolation verwendet, um die PWM-Signale vom sekundärseitigen Controller ADP1051 zum primärseitigen Halbbrückentreiber zu übertragen.
Gegenüber dem komplexen Gate-Treiber-Transformatordesign ist die Digitalisolatorlösung kleiner, zuverlässiger und einfacher handhabbar. Es besteht keine Begrenzung für das Tastverhältnis, außerdem bringt die Lösung keine Sättigungsprobleme mit sich. Mit dem Design lässt sich eine Schaltung mit hoher Leistungsdichte realisieren, denn es spart über 50 % Platz auf der Leiterplatte.
Isolierter Gate-Treiber
Bei der weiteren Vereinfachung des Designs ist es hilfreich, auf einen Baustein mit integrierter elektrischer Isolation und hoher Gate-Treiberfähigkeit zurückzugreifen. Beispielsweise kann der isolierte 4-A-Halbbrückentreiber ADuM7223 unabhängige und isolierte High- und Low-Side-Ausgänge zur Verfügung stellen. Bild 4 zeigt eine solche isolierte Gate-Treiberlösung.
Digital-Isolierter-Gate-Treiber, Bilder 3-5
In Bild 5 ist der ADuM7223 als Bootstrap-Gate-Treiber konfiguriert, um eine Halbbrücke zu treiben. Bei DBST handelt es sich um eine externe Bootstrap-Diode und bei CBST um einen externen Bootstrap-Kondensator.
Während jedes Zyklus – wenn der Low-Side-MOSFET Q2 einschaltet – lädt UDD den Bootstrap-Kondensator über die Bootstrap-Diode. Um die Verlustleistung zu minimieren, ist eine sehr schelle Diode mit geringem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung und kurzer Rückwärtserholzeit erforderlich.
Primärseitige Steuerung
Primärseitige Steuerung kommt ohne isolierte Hilfsstromversorgung aus und weist eine einfache Steuerarchitektur auf. Deshalb wird sie gerne für diverse kostengünstige Anwendungen verwendet, beispielsweise für lineare Optokoppler, Standard-Optokoppler mit Standardverstärker und isolierte Verstärker.
Lineare Optokoppler
Zur Isolation der Ausgangsspannung in einer digitalen Stromversorgung ist eine schnelle und genaue Isolationsrückmeldung erforderlich. Optokoppler werden häufig verwendet, um Analogsignale von der Sekundär- zur Primärseite zu senden, jedoch verändert sich der CTR des Optokopplers sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur.
Mit zunehmender Zeit wird der CTR geringer. Bild 6 zeigt den normierten CTR des Optokopplers TCET1100 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Erkennbar ist eine Veränderung des CTR von mehr als 30 % im Temperaturbereich zwischen -25 und +75 °C.
Es ist sehr schwer, die erforderliche Genauigkeit der Ausgangsspannung mit einem Standard-Optokoppler zu garantieren, der direkt in der Rückkopplungsschleife zum Übertragen der Ausgangsspannung benutzt wird. Ein Standard-Optokoppler wird deshalb zusammen mit einem Fehlerverstärker verwendet, um das Kompensationssignal anstatt der Ausgangsspannung zu übertragen.
Da beim ADP1051 die digitale Schleifenkompensation bereits auf dem Chip integriert ist, ist kein Kompensationssignal erforderlich. Um die mit Standard-Optokopplern bestehenden Herausforderungen zu umgehen, kann eine lineare Optokopplerlösung verwendet werden, mit der sich die Ausgangsspannung linear übertragen lässt (Bild 7). Allerdings sind lineare Optokopplerlösungen teuer.
Standard-Optokoppler mit Standardverstärker
Die primärseitige Steuerung lässt sich mit einem Standard-Optokoppler und einem Standardverstärker realisieren (Bild 8). Durch diese Anordnung wird eine hohe Genauigkeit der Ausgangsspannung erreicht, ohne dass diese von der großen CTR-Variation des Optokopplers infolge von Temperaturänderungen in Mitleidenschaft gezogen wird. Die Messergebnisse zeigen, dass die Ausgangsspannungsvarianz im Bereich von ±1% liegt, bei einem CTR von 100 bis 200 %.
Mit Gleichung 2 lässt sich der CTR berechnen.
Wenn sich der CTR in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, kompensiert der Verstärker die Änderungen, damit die Genauigkeit der Ausgangsspannung beibehalten werden kann. Wichtig ist, dass der stabile Betriebspunkt und der Spannungshub des Verstärkers gut gewählt sind, sodass sich die CTR-Änderung mit den an die Temperatur gestellten Anforderungen erfüllen lässt, falls der Ausgang des Verstärkers in die Sättigung gelangt.
Isolierter Verstärker
Die dritte Methode zur primärseitigen Steuerung ist es, einen isolierten Verstärker zu verwenden, etwa den ADuM3190 (Bild 9). Der ADuM3190 eignet sich aufgrund seiner großen Bandbreite und seiner hohen Genauigkeit im Vergleich zu Optokopplern besonders gut für lineare Feedback-Stromversorgungen mit primärseitigen Controllern.
Dies ermöglicht Verbesserungen im Transientenverlauf sowie hinsichtlich der Leistungsdichte und der Stabilität gegenüber den üblicherweise verwendeten Optokoppler- und Shunt-Reglerlösungen. Mit dem richtigen Schaltungsdesign kann der ADuM3190 eine Ausgangsspannungsgenauigkeit von ±1 % erreichen.
Der Autor
Jason Duan
erwarb seinen Bachelor und Master in Elektrotechnik an der Xi’an Jiatong University. Seit 2007 ist er für Analog Devices tätig. Anfangs war er in der Power-Management-Abteilung des Unternehmens in Shanghai tätig. Seit 2013 ist der Senior Applications Engineer am Analog-Devices-Standort San Jose. Unter anderem befasst er sich dort mit der Entwicklung digitaler Leistungsregler, rauscharmer Linearregler und mehrkanaliger PMUs.
jason.duan@analog.com
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