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Hoher Wirkungsgrad, geringer Platzbedarf

Isolierte Stromversorgung in Hochspannungs-Anwendungen

27. September 2023, 9:00 Uhr | Noor Aizad, Technical Marketing Manager STMicroelectronics

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Energieübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite erfolgt mit magnetischem Fluss

Der Hauptausgang dieser geschalteten Stromversorgung ist als konventioneller Abwärtswandler (Tiefsetzsteller oder Buck Converter) ausgeführt. Wie bei jedem anderen Schaltregler auch, wird die Eingangsspannung (meist 12 V aus dem Fahrzeug-Bordnetz oder 24 V aus einer Ladestation oder einer anderen Quelle) auf eine niedrigere Spannung (z. B. 5 V, 3,3 V) herabgesetzt. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, geschieht dies durch Takten eines integrierten high-seitigen MOSFETs (da es sich beim L6983I um einen synchronen Schaltregler handelt, ist auch der low-seitige MOSFET integriert). Eine in Serie geschaltete Induktivität sorgt für einen konstanten Stromfluss, indem sie bei eingeschaltetem MOSFET Energie speichert, die sie in der Aus-Phase des MOSFETs wieder abgibt. Der Ausgangskondensator sorgt ergänzend für eine gleichbleibend hohe Ausgangsspannung.

Abhängig vom Windungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Übertragers kann am Ausgang eine weitere Spannung erzeugt werden, die entweder höher oder niedriger sein kann als die Eingangsspannung. Da die Energieübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite mithilfe des erzeugten magnetischen Flusses erfolgt, sind beide Seiten galvanisch voneinander isoliert, und es fließt kein Strom von einer Seite zur anderen.

Wie in Bild 3 zu erkennen ist, können sogar mehrere Sekundärwicklungen vorhanden sein, um verschiedene Ausgänge zu realisieren, die alle voneinander isoliert sind und deren Spannung über das jeweils gewählte Windungsverhältnis variiert werden kann. Bei der Festlegung des Windungsverhältnisses zum Erzeugen der gewünschten Ausgangsspannung müssen selbstverständlich auch der Spannungsabfall an der benötigten Gleichrichterdiode und der Wicklungswiderstand berücksichtigt werden. Ein weiterer wichtiger Parameter, den es ebenfalls einzukalkulieren gilt, ist die Streuinduktivität. Generell müssen also mehr Variablen beachtet werden als bei dem herkömmlichen Abwärtsregler, und es ist auch größere Sorgfalt beim Design erforderlich.

Die Spannung am zusätzlichen Ausgang folgt auf jeden Fall genau der Spannung am Hauptausgang, und auch der Stromverlauf des zusätzlichen Ausgangs entspricht dem am Hauptausgang. In der Ausschaltphase (TOFF) bedingt der Sekundärstrom einen negativen Strom in der Primärwicklung. Das Design des L6983I wurde deshalb eigens dafür optimiert, mit diesem negativen Strom zurechtzukommen.

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Mit einem einfachen Beispiel anhand von Bild 3 lässt sich die Funktionsweise des Isobuck-Wandlers leichter verstehen. Eine mögliche Schaltung wäre die Erzeugung einer Haupt-Ausgangsspannung von 5 V (VOUT_1) aus einer Eingangsspannung von 12 V. Zusätzlich sollen zwei weitere Ausgangsspannungen erzeugt werden: eine höhere von 10 V (VOUT_2) und eine niedrigere von 3,3 V (VOUT_3). Der Übertrager besitzt somit zwei zusätzliche Sekundärwicklungen mit Windungsverhältnissen von etwa 1:2,4 (Np_1 : Ns_2) bzw. etwa 1:0,9 (Np_1 : Ns_3), um die gewünschten Ausgangsspannungen von 10 V (VOUT_2) und 3,3 V (VOUT_3) zu erzeugen.

In Bild 4 ist zu sehen, dass in der Primärwicklung ein Strom fließt (Iprimary_1), wenn der high-seitige MOSFET eingeschaltet ist (ON-Zustand). Die Ströme in den Sekundärwicklungen (Isecondary_2 und Isecondary_3) bleiben während dieser Zeit jedoch auf null, da an den Gleichrichterdioden eine Sperrspannung liegt. Sobald der Wandler in den OFF-Zustand wechselt, gibt der Übertrager die gespeicherte Energie frei, die Polarität der Spannung an den Gleichrichterdioden wechselt und in den Sekundärwicklungen fließen Ströme (Isecondary_2 bzw. Isecondary_3), die an die entsprechenden Verbraucher (Load2 bzw. Load3) gehen und außerdem die Kondensatoren C2 und C3 aufladen. Wenn der Wandler anschließend erneut in den ON-Zustand wechselt und die Dioden wieder in Sperrrichtung vorgespannt sind, werden die Verbraucher aus den beiden Kondensatoren gespeist, sodass eine stetige Versorgung sichergestellt ist.

Eine exakter geregelte, isolierte Ausgangsspannung über den gesamten Strombereich des zusätzlichen Ausgangs lässt sich mithilfe eines nachgeschalteten Reglers erzielen. Hier kommen abhängig vom Verhalten des jeweiligen Verbrauchers unterschiedliche Architekturen in Betracht. STMicroelectronics bietet maßgeschneiderte Lösungen für jeden Bedarf an – entweder in Form eines speziellen LDO-Reglers oder auf der Basis von Spannungsreferenzen der Reihe TL(1)43x.

Zum Abschluss sind einige Bemerkungen zur Wandlertopologie angebracht. Unter bestimmten Bedingungen kann es in einer Anwendung passieren, dass die geforderte Spannung des Hauptausgangs und der notwendige Strom des zusätzlichen Ausgangs die typischen Fähigkeiten eines Isobuck-Wandlers übersteigen. In solchen Fällen ist es durch Umstieg auf eine andere Topologie möglich, die Restriktionen der Standard-Topologie zu umgehen. Bei dieser alternativen Topologie handelt es sich um die Isobuck-Boost-Konfiguration, die jedoch den einzigen Nachteil hat, dass die Haupt-Ausgangsspannung ein negatives Vorzeichen hat und damit weniger für den digitalen Teil einer Applikation geeignet ist. Dennoch lässt sich mit dieser Variante die an den Zusatzausgängen verfügbare Leistung erhöhen, und auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der insgesamt entstehenden Materialkosten ergeben sich Vorteile.

Zusammenfassend können dem Isobuck-Wandler L6983I mehrere Vorteile für Power-Management-Designs attestiert werden:

Reduzierung des Bauteileaufwands mit dem Ergebnis niedrigerer Kosten, eines reduzierten Platzbedarfs und einer kürzeren Entwicklungszeit.
Eignung für isolierte Aufwärts- und Abwärtswandler (Boost bzw. Buck).
Zur Versorgung mehrerer Verbraucher können weitere Ausgänge realisiert werden.
Isolierte Stromversorgung zur Bereitstellung verschiedener Versorgungsspannungen in ein und demselben System.

Der L6983I kann am Hauptausgang (Buck) bis zu 3 A bereitstellen und ermöglicht an den zusätzlichen (isolierten) Ausgängen Leistungen von über 10 W. Die Schaltfrequenz kann zwischen 250 kHz und 1 MHz betragen, und die Stromaufnahme im Standby-Modus ist äußerst gering. Der Baustein arbeitet normalerweise im Forced-PWM-Modus, jedoch kommt zur Absenkung der Störaussendungen auch der Spread-Spectrum-Betrieb in Frage.

Der L6983I wartet mit den üblichen Schutzfunktionen beispielsweise gegen zu hohe Spannungen und Überhitzung auf. Zu den weiteren Features gehören eine eingebaute Softstart-Funktion sowie ein Power-Good- und ein Inhibit-Pin. Weitere Einzelheiten können dem Datenblatt des L6983I entnommen werden.