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Texas Instruments

Tool vereinfacht das Spezifizieren des Übertragers

11. Juli 2019, 14:02 Uhr | Von Florian Müller, Systems Applications Engineer, Power Design Services bei Texas Instruments

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Power Stage Designer

Mit dem Tool „Power Stage Designer“ (PSD) von Texas Instruments lassen sich die Minimalspezifikationen in der oben angeführten Art erstellen. Das Hauptfenster des PSD-Tools stellt verschiedene Topologien zur Auswahl. Nach Anklicken des Quasi-Resonant-Flyback-Bildsymbols öffnet sich ein neues Fenster mit dem Schaltplan, verschiedenen Eingabefeldern und unterschiedlichen Ausgabewerten. Hier können die verschiedenen Parameter der Stromversorgung (z.B. Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Laststrom) eingegeben werden.

Windungsverhältnis
Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung legt zunächst die reflektierte Spannung (Flyback-Spannung) fest und hat deshalb unter anderem Einfluss auf das Tal der Schaltknoten-Resonanz-Schwingung, die maximale Drain-Source-Spannung des MOSFET und die Spitzenströme.

Die Wahl des optimalen Windungsverhältnisses für eine bestimmte Anwendung ist ein iterativer Prozess. Hier erweist sich das PSD-Tool als besonders nützlich, denn es zeigt nach einer Änderung des Windungsverhältnisses umgehend alle aktualisierten Werte an. Ein guter Ausgangspunkt ist die Wahl eines Wertes, bei dem die Flyback-Spannung gleich der minimalen Eingangsspannung ist.

Primärinduktivität
Es gibt zwei Arten von Sperrwandler-Modulationstechniken mit variabler Frequenz. Die erste ist die sogenannte Valley-Switching-Technik. Sie moduliert die Schaltfrequenz und hält gleichzeitig den primärseitigen Spitzenstrom konstant. Der Controller arbeitet hier stets im lückenden Betrieb (Discontinuous-Conduction-Mode, DCM).

Die zweite ist eine quasiresonante Technik und moduliert gleichzeitig die Schaltfrequenz und den primärseitigen Spitzenstrom, um beim ersten Minimum (Tal) der Resonanz-Oszillation zu schalten (unmittelbar nach der Entmagnetisierungszeit). Der Controller arbeitet hier in dem gelegentlich als Transition-Mode bezeichneten Grenzbereich zwischen lückendem Betrieb und nichtlückendem Betrieb (Continuous-Conduction-Mode, CCM). Beide Techniken können im PSD-Tool ausgewählt werden (Bild 1).

Ein guter Ausgangspunkt für die Festlegung der Primärinduktivität ist die Wahl eines Wertes, der dem Controller bei Volllast und minimaler Eingangsspannung den Betrieb im Transition-Mode gestattet.

Aus diesem Grund sollte erstmal der „Quasi Resonant“-Betrieb gewählt und die Mindest-Eingangsspannung U_in,min angegeben werden. Da die Primärinduktivität die tatsächliche Schaltfrequenz bestimmt, sollte sie so gewählt werden, dass eine gewünschte Schaltfrequenz (z.B. 80 kHz) erzielt wird. Der maximale primärseitige Spitzenstrom (I_pp,QR) unter diesen Bedingungen sollte daraufhin vermerkt werden.

Das Datenblatt eines Controllers enthält üblicherweise ein Diagramm vom Regelungsprofil, wie es in Bild 2 am Beispiel des UCC28742 zu sehen ist.

Wie man sieht, arbeitet der Controller mit einer Valley-Switching-Technik (von mittlerer bis voller Ausgangsleistung, U_cl> 3,2 V), denn er variiert die Schaltfrequenz, während der Primärstrom (I_pp) konstant gehalten wird.

Nun wird im PSD-Tool „Frequency Modulation“ ausgewählt und der Primärstrom (I_pp) muss eingegeben werden. Der zuvor vermerkte Wert I_pp,QR aus dem Quasiresonanz-Betrieb bei minimaler Eingangsspannung kann übernommen werden, denn er stellt in der Regel eine gute Ausgangsbasis dar.

Zur weiteren Feinabstimmung können die Primärinduktivität und der Primärstrom (I_pp) iterativ variiert werden. Dabei ist stets zu prüfen, ob alle Spannungen, Ströme und die Schaltfrequenz innerhalb der Grenzwerte des Controllers und der Leistungsstufe liegen (für U_in,min und U_in,max).

Als nächster wichtiger Schritt muss sichergestellt werden, dass die minimale Einschaltzeit des Controllers eingehalten wird. Hierfür wird der primärseitige Spitzenstrom I_pp,min für geringe Last aus dem Diagramm in Bild 2 oder aus dem Datenblatt-Abschnitt „Electrical Characteristics“ benötigt (Achtung, dieser Wert ist meist deutlich geringer als I_pp,max). Der Entwickler muss diesen Wert in das PSD-Tool eingeben und die minimale Einschaltzeit für U_in,max prüfen. Die Einschaltzeit muss größer als die Mindest-Einschaltzeit des Controllers (Datenblatt: „minimum on-time“) sein. Anderenfalls muss die Primärinduktivität erhöht werden.

Maximale Streuinduktivität
Die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie wird üblicherweise in einem Snubber-Netzwerk verbraucht und geht daher zulasten des Wirkungsgrads. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Streuinduktivität so gering wie möglich ist.

Volt-Sekunden-Produkt und Schaltfrequenzbereich
Der nächste Aspekt ist das Volt-Sekunden-Produkt. Mit der Gleichung unten lässt sich errechnen, wie viele Windungen die Primärwicklung mindestens aufweisen muss, um eine Kernsättigung zu verhindern. Das Volt-Sekunden-Produkt ist das Produkt aus der maximalen Primärspannung und der maximalen Einschaltzeit des Controllers. Die maximale Primärspannung, die Einschaltzeit und die maximale Schaltfrequenz lassen sich mit dem PSD-Tool einfach berechnen.

Ein typischer Wert für den magnetischen Fluss Bs ist 300 mT bei Verwendung eines Ferritkerns. Dieser Wert kann für Anwendungen, die mehr Spielraum benötigen, auf 200 mT herabgesetzt werden. Die effektive Kernfläche wird durch den jeweils gewählten Kern bestimmt.

Das PSD-Tool gibt den Schaltfrequenzbereich aus. Die Werte bei der minimalen und der maximalen Eingangsspannung sind zu vermerken.

Effektiv- und Scheitelströme
Das PSD-Tool errechnet die maximalen Scheitelströme und die Effektivströme auf der Primär- und der Sekundärseite.

Wicklungsstruktur
Moderne Sperrwandler-Controller benötigen typischerweise eine gute Kopplung der Hilfswicklung, denn der Controller bezieht aus dieser Wicklung Informationen, die wichtig für einen stabilen Betrieb sind. Eine empfehlenswerte Wicklungsstruktur ist die Sandwich-Technik. Hierbei wird die Primärwicklung geteilt und die Hilfs- und Sekundärwicklung werden dazwischen eingefügt, was eine effektive Kopplung zwischen den Wicklungen ergibt.

Zusammenfassung

Der Übertrager ist neben dem Controller das wichtigste Bauteil und spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad. Die komplexe Spezifikation des Übertragers muss mit großer Sorgfalt ausgearbeitet werden. Das PSD-Tool ist hierbei sehr hilfreich, um Fehler in der ersten Phase des Designs zu vermeiden. Das Tool beschleunigt den Prozess und erlaubt eine schnelle und effektive Plausibilitätsprüfung.
Power Stage Designer berechnet auch die Spannungen und Ströme für 20 weitere Topologien und enthält zusätzlich ein Tool zum Erstellen von Bode-Diagrammen sowie eine Toolbox mit verschiedenen Funktionen, die das Design einer Stromversorgung erleichtern. Texas Instruments bietet dieses Tool kostenlos an.