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Schaltungspraxis - Schaltnetzteil

Primärseitig geregelter, quasiresonanter Sperrwandler

19. April 2017, 10:25 Uhr | Florian Müller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Betrieb mit mehreren Ausgängen

Zur Regelung der Ausgangsspannung überwacht ein primärseitig geregelter Sperrwandler die Spannung der Versorgungswicklung nicht ständig, sondern nur ein Mal pro Schaltzyklus – und zwar unmittelbar nachdem der Sekundärstrom null wird. Dies kann zu Problemen führen, wenn mehrere Ausgänge mit unabhängigen Spannungen benötigt werden. Die verschiedenen Entmagnetisierungszeiten der einzelnen Ausgänge beeinflussen nämlich den Verlauf der Spannung an der Versorgungswicklung, sodass es dem Schaltregler-IC unter Umständen nicht möglich ist, das Ende von Tentmag exakt zu bestimmen. Dies wiederum kann zu einem instabilen Betrieb führen. Erfahrungsgemäß sind unterschiedlich belastete Ausgänge kritischer als Ausgänge mit gleicher Belastung. Da sich das Verhalten eines Wandlers mit mehreren Ausgängen insgesamt schwierig vorhersagen lässt, sollte die Stabilität im Labor unter allen denkbaren Bedingungen evaluiert werden.

Kompensation und Rückkopplung

In der Wandlerschaltung ist weder ein Optokoppler noch ein externes Kompensationsnetzwerk vorhanden. Das Ausgangsfilter der Leistungsstufe wird durch die interne Kompensationsschaltung des Schaltregler-ICs kompensiert. Das Ausgangsfilter verhält sich wie ein System erster Ordnung, da der Schaltregler-IC den Strom in der Primärwicklung regelt. Deshalb agiert diese Spule wie eine Stromquelle. Als Ausgangsfilter bleiben nur noch der Ausgangskondensator und der Lastwiderstand. Das interne Kompensationsnetzwerk des Schaltregler-ICs kann vom Entwickler nicht verändert werden, sodass die Stabilität des Wandlers nur noch vom Ausgangskondensator und der Last abhängt. In der Regel spielt der effektive Serienwiderstand des Ausgangskondensators eine wichtige Rolle, weil er eine Nullstelle in der Übertragungsfunktion entstehen lässt und bei der Kompensation berücksichtigt werden muss. Im Regelkreis eines primärseitig geregelten Sperrwandlers kommt diese Nullstelle jedoch nicht vor, da die Abtastung bei einem Strom von null erfolgt, sodass der effektive Serienwiderstand des Ausgangskondensators keinerlei Auswirkungen hat. Stattdessen wird die Stabilität des Wandlers ausschließlich von der Ausgangskapazität beeinflusst. Die Kapazität, die für ein stabiles System mindestens benötigt wird, ist proportional zur Ausgangsleistung.

Das Eingangsfilter

Üblicherweise werden für ein Schaltnetzteil ein Gleichtaktfilter und ein differenzielles Filter verwendet. Ein Gleichtaktfilter in Kombination mit dem Y-Kondensator ist zwar sehr effektiv, aber leider auch sehr teuer. Liegt die Ausgangsleistung deutlich unter 10 W, reicht meist ein differentielles Filter aus. Leistungsfähiger als ein einfaches π-Filter ist eine zusätzliche Induktivität in der Masse-Leitung (L_diff2 in Bild 1). Für die Beispielschaltung [1] (Bild 1) hat eine Messung der leitungsgeführten Störgrößen mithilfe einer Netznachbildung gezeigt, dass das differentielle Filter ausreicht, um die internationalen Grenzwerte einzuhalten. Wird die Masse der Versorgungswicklung mit dem Nullleiter verbunden, entstehen mehr elektromagnetische Störungen, sodass dann eine zusätzliche stromkompensierte Drossel benötigt wird.

Einfache Sperrwandlerschaltung mit wenigen Bauteilen

In der Regel benötigt ein Sperrwandler, dessen Ausgang galvanisch isoliert ist, einen Optokoppler zum Regeln der Ausgangsspannung. Bei einem primärseitig geregelten Sperrwandler ist dies nicht der Fall. Die Schaltung ist deshalb sehr kostengünstig, und die Entwicklung eines stabilen Wandlers gestaltet sich denkbar einfach. Gute Kenntnisse in der Regelungstechnik sind hier zwar von Vorteil, aber nicht unbedingt notwendig, da kein externes Kompensationsnetzwerk vorhanden ist, das es zu optimieren gilt.

Als weiterer Vorteil dieser Sperrwandlerschaltung kommt die sehr geringe Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb hinzu, wenn eine aktive Startschaltung implementiert wird, denn weder ein Optokoppler noch ein Schaltregler IC müssen permanent mit Strom versorgt werden.

Die niedrigen Kosten und die geringe Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb müssen allerdings mit Nachteilen bezüglich des Einschwingverhaltens und der Ausgangsspannungsgenauigkeit erkauft werden. Insbesondere Lastsprünge von einer geringen auf die maximale Ausgangsstromstärke können die Ausgangsspannung stark einbrechen lassen. Um dies zu verhindern, muss die Ausgangskapazität vergrößert werden, was wiederum die Kosten erhöht. Ungeachtet dessen lässt sich ohne zusätzlichen Aufwand eine Genauigkeit der Ausgangsspannungs- und Ausgangsstromregelung von ±5 % über den gesamten Eingangsspannungs- und Ausgangsstrombereich erreichen, was für viele Anwendungen ausreichend ist.

Literatur

[1] Universal AC Input, Dual 12V, 5V Output PSR Quasi-Resonant Flyback Converter Reference Design. Texas Instruments, www.ti.com/tool/pmp10168.

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Florian Müller
wurde 1976 in Rosenheim geboren. Nach dem Abschluss eines Elektrotechnik-Studiums an der Universität Haag arbeitete er mehrere Jahre freiberuflich im Bereich der Elektrotechnik, bevor er 2008 zur Power Design Services Group Europe von Texas Instruments in Freising wechselte. Gegenstand seiner Entwicklungsaktivitäten sind galvanisch trennende und nicht galvanisch trennende DC/DC- und AC/DC-Wandler für jegliche Anwendungsgebiete.

Florian Müller

wurde 1976 in Rosenheim geboren. Nach dem Abschluss eines Elektrotechnik-Studiums an der Universität Haag arbeitete er mehrere Jahre freiberuflich im Bereich der Elektrotechnik, bevor er 2008 zur Power Design Services Group Europe von Texas Instruments in Freising wechselte. Gegenstand seiner Entwicklungsaktivitäten sind galvanisch trennende und nicht galvanisch trennende DC/DC- und AC/DC-Wandler für jegliche Anwendungsgebiete.

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