Texas Instruments
Manipulationsgeschützte Stromversorgung für E-Meter
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Schnelle Sättigung verhindern
Die Ausstattung des Übertragers mit einer hohen Anzahl von Primärwindungen reduziert den magnetischen Fluss φ. Der Grund dafür ist, dass ein Kern mit einer höheren magnetischen Reluktanz Rm (aufgrund des größeren Luftspalts) verwendet werden muss, um die gleiche Primärinduktivität zu erhalten. Die Flussdichte ist einfach der magnetische Fluss φ geteilt durch die effektive Kernfläche Ae. Daher reduziert eine hohe Anzahl von Primärwindungen (begrenzt den magnetischen Fluss φ) in Kombination mit einer großen effektiven Kernfläche Ae letztendlich die Flussdichte im Kern. Damit gehen jedoch unweigerlich höhere Kern- und Wicklungsverluste einher.
Der wahrscheinlich effektivste Weg, eine Sättigung zu verhindern, ist die Verwendung eines Kerns mit weichen Sättigungseigenschaften und einer hohen Sättigungsflussdichte, wie z.B. eines Eisenpulverkerns. Dieses Material sättigt nicht so abrupt wie Ferrit. Es gibt für Flyback-Wandler Eisenpulver-Kerne, die einer Flussdichte von mehr als 1,5 Tesla standhalten, was eine gute Wahl ist, um eine Sättigung zu verhindern, wegen der hohen Kernverluste aber leider auf Kosten eines schlechten Wirkungsgrads geht.
Neben dem Kernmaterial spielt die Ausrichtung des Übertragers eine entscheidende Rolle, da sein Kern einen idealen Weg für das äußere Magnetfeld bietet. Der Kern verstärkt das externe Feld enorm, und wenn die Magnetfeldlinien des externen Magneten die gleiche Richtung wie die Flussdichte des Übertragers haben, kann das Feld im Kern sehr stark sein. Aus diesem Grund ist ein horizontal montierter Übertrager einem vertikal montierten vorzuziehen.
Referenz-Designs
Auf der TI-Website (www.ti.com) sind einige manipulationsgeschützte Designs zu finden. Beispielsweise kommt im Referenzdesign PMP30276 ein Eisenpulverkern zum Einsatz, der mit einem starken äußeren Magnetfeld zurechtkommt, wenn auch mit dem Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades. Das Referenzdesign PMP30345 basiert auf einem Sendust-Kern, der ebenfalls einem starken äußeren Magnetfeld standhalten kann, aber nicht ganz so robust wie ein Eisenpulverkern ist. Die Nutzung eines Sendust-Kerns ist ein guter Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Manipulationssicherheit. Außerdem wird im PMP30435 der Valley-Switching-Flyback-Controller UCC28740 von Texas Instruments verwendet. Die optimierte Schaltung und der Übertrager machen das Design robust gegen externe Magnetfelder bis zu 200 mT.
Der folgende Prüfbericht zeigt die Messergebnisse mit und ohne externes Magnetfeld. Ein Magnet (Neodym, N35, Br = 1,21 T, 50 mm × 12,5 mm × 50 mm) wurde auf den Übertrager gelegt, um ein 200-mT-Feld zu erzeugen. Der Abstand D zwischen Übertrager und Magnet betrug 5 mm.
Die Abbildungen zeigen das Verhalten der Stromversorgung, wenn ein externes Magnetfeld anliegt. Es gibt immer zwei Messungen, eine mit und eine ohne Magnet auf der Oberseite des Transformators.
Bild 1 zeigt die Spannung am Schaltknoten VSW (Drain-Source-Spannung des primärseitigen MOSFET) ohne und Bild 2 mit einem externen 200-mT-Feld bei voller Ausgangsleistung.
Wie man sieht, arbeitet der Controller mit einer Schaltfrequenz von 55 kHz. Unter dem Einfluss des externen Magnetfelds erhöht der Controller die Schaltfrequenz auf 85 kHz. Die maximale Schaltfrequenz des Controllers UCC28740 beträgt 100 kHz. Wie bereits erwähnt, ist die Ausgangsleistung umso größer, je höher die Schaltfrequenz ist. Es gibt also noch einen gewissen Spielraum für die maximale Ausgangsleistung.
Die Bilder 3 und 4 zeigen die dynamische Lastregelung für einen Lastsprung von 40 auf 100 Prozent des maximalen Ausgangsstroms.
Ohne externes Magnetfeld beläuft sich die Abweichung der Ausgangsspannung auf ca. 110 mV. Wird ein 200-mT-Feld angelegt, verschlechtert sich das Lastsprungverhalten und die Spannungsabweichung steigt auf ca. 220 mV. Das Magnetfeld reduziert also die Bandbreite des Systems.
Ein gutes Zeichen ist, dass die Spannung bei beiden Messungen ein gedämpftes Überschwingen aufweist, was auf eine ausreichende Phasenreserve hindeutet. Dies kann mit dem Testbericht zum PMP30435 (verfügbar unter www.ti.com) verifiziert werden, da er die Messung des gesamten offenen Regelkreises (Kleinsignalanalysen) beinhaltet. Die Bandbreite ohne externes Magnetfeld beträgt 2 kHz bei einer Phasenreserve von 63°. Wird der Magnet auf den Transformator gelegt, reduziert sich die Bandbreite auf 0,5 kHz, jedoch mit einer ausreichenden Phasenreserve von 70°.
Dadurch bleibt das System auch unter dem Einfluss des externen Magnetfelds von 200 mT stabil.
Fazit
Wird ein manipulationsgeschütztes Netzteil benötigt, empfehlen sich ein Stromregler und ein Übertrager mit hoher Sättigungsflussdichte (z.B. Eisenpulver). Eine hohe Anzahl von Primärwindungen, ein Kern mit großer effektiver Kernfläche und ein horizontal montierter Übertrager reduzieren die maximale Flussdichte im Kern. Die Primärinduktivität sollte sorgfältig spezifiziert werden, um ein System zu erhalten, das auch bei einem starken äußeren Magnetfeld stabil ist.
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