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DC/DC-Wandler mit weitem Eingangsbereich

Die Überbrückungszeit verlängern

24. Juli 2023, 11:30 Uhr | Von Tiger Zhou, Applications Engineer für Battery Charging Products bei Texas Instruments

Bild 1: Die Schaltung mit sieben Ausgangs-Kondensatoren à 6800µF benötigt eine 11,7 cm × 9,4cm große Leiterplatte.

Mit Kurzzeit-Energiespeichern können Geräte geordnet herunterfahren und einen bevorstehenden Ausfall melden. Deshalb sind Überbrückungsschaltungen für eine Stützzeit (Holdup-Zeit) von 10 bis 20ms ausgelegt.

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Beim Design einer Stromversorgung, und hier insbesondere bei Gleichspannungswandlern mit weitem Eingangsspannungsbereich, ergeben sich im Zusammenhang mit den Holdup-Schaltungen zwei Fragen:

Soll der Holdup-Kondensator am Eingang oder am Ausgang platziert werden?
Ist bei einem Wandler mit weitem Eingangsbereich eine ein- oder zweistufige Schaltung zu wählen?

Im folgenden Artikel werden nicht nur zwei unterschiedlich große Backup-Ansätze verglichen, sondern es wird auch eine neue Schaltung präsentiert, die bei einem Sperrwandler (12V/60W) mit einem Eingangsbereich von 9 bis 60V für eine Holdup-Zeit von 15ms sorgt. Diese Backup-Schaltung nutzt einen zusätzlichen Aufwärtswandler zum Laden einer Hochspannungs-Kondensatorbank sowie einen schnell reagierenden, leistungsbegrenzenden Schalter zur Abgabe der Energie während eines Stromausfalls. Dies spart 50Prozent Leiterplattenfläche und sorgt bei einem Sperrwandler mit weitem Eingangsbereich für eine deutliche Verlängerung der Holdup-Zeit.

Wohin mit dem Holdup-Kondensator?

Als Beispiel soll ein Sperrwandler mit 60V Eingangsspannung, 12V Ausgangsspannung und einer Ausgangsleistung von 60W dienen, der eine Holdup-Zeit von 30ms erreichen soll. Traditionell hätte man hierzu am Ausgang des Wandlers eine ziemlich voluminöse Kondensatorbank installiert, die die Ausgangsspannung aufrechterhält, um das System länger betriebsfähig zu halten. Die gespeicherte Energie ist dabei proportional zum Quadrat der Kondensatorspannung:

Ecap = ½Ccap· V2

Da die Ausgangsspannung langsam abfällt, muss das versorgte System mit einem weiten Eingangsspannungsbereich zurechtkommen, da sonst die Energieausnutzung (in Gleichung2 als EU% bezeichnet) unzureichend ist:

EU% = (Emax– Emin) / Emax = (V20(max) – V20(min)) / V20(max)

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Bei einem typischen 12-V-System mit einer Mindest-Eingangsspannung von 8V würde die Energieausnutzung folglich 55Prozent betragen, während sie bei einer geringen, nur etwa 10Prozent betragenden Spannungstoleranz auf magere 19Prozent zurückginge.

Alternativ können Hochspannungs-Kondensatoren auch am Eingang platziert werden. Ist ein Absinken der Eingangsspannung von 60 auf 9V hinnehmbar, verbessert sich die Energieausnutzung auf 97,8Prozent. Hinzu kommt, dass Hochspannungs-Kondensatoren eine höhere Energiedichte aufweisen als solche für niedrige Spannungen. Zum Beispiel ist ein Aluminium-Elko mit 1200µF und 80V Nennspannung genau so groß wie einer mit 6800µF und 16V Nennspannung, aber seine Energiedichte ist 4,4 Mal größer als die des Niederspannungs-Elkos.

An dieser Stelle gilt es zwischen zwei Designkonzepten zu unterscheiden:

Beim ersten Design sind die Holdup-Kondensatoren am Ausgang angeordnet. Es werden sieben jeweils 16 mm × 40mm große Kondensatoren (6800µF, 16V) benötigt, die mehr als die Hälfte der Leiterplattenfläche einnehmen. Die geschätzte Holdup-Zeit bei voller Last (60W) beträgt hier 32ms.
Beim zweiten Ansatz kommt ein Hochspannungs-Kondensator (1200µF, 80V) mit der Größe von ebenfalls 16 mm × 40mm am Eingang zum Einsatz. Unter Zugrundelegung eines Systemwirkungsgrads von 90Prozent kommt dieser auf die gleiche Holdup-Zeit von 32ms. Die verfügbare Holdup-Zeit reduziert sich, da die eingangsseitige Energie vom Sperrwandler verarbeitet werden muss.

Das erste Design (Bild1) ist mit Maßen von 11,7 cm × 9,4cm doppelt so groß wie das zweite (Bild2). Man erkennt also ganz klar, dass ein Hochspannungs-Kondensator am Eingang mehrere Niederspannungs-Kondensatoren am Ausgang ersetzen kann, da er eine höhere Energieausnutzung bietet und seine Energiedichte ebenfalls höher ist. Neben den Abmessungen der Kondensatorbank reduzieren sich damit auch die Kosten um die Hälfte.