Texas Instruments Tool vereinfacht das Spezifizieren des Übertragers

Bild 1: Mit dem PSD-Tool können Entwickler die Topologie wählen, die sie benutzen wollen, um dann die wichtigsten Parameter einzugeben.
Bild 1: Mit dem PSD-Tool können Entwickler die Topologie wählen, die sie benutzen wollen, um dann die wichtigsten Parameter einzugeben.

Dass Sperrwandler, die beliebteste isolierte Wandler-Topologie sind, liegt daran, dass sie die kostengünstigste Schaltungsvariante sind. Aufgrund des Luftspalts des Kerns kann der Übertrager in jedem Schaltzyklus Energie speichern, auf der Sekundärseite ist keine zusätzliche Induktivität nötig.

Die Zeiten, in denen Controller mit konstanter Frequenz schalteten, sind vorbei. Moderne Sperrwandler-Controller wie der UCC28742 oder der LM5023 sind vielmehr in der Lage, die Schaltfrequenz und den primärseitigen Spitzenstrom zu modulieren. Eine solche Modulationstechnik erfordert in der Regel einen individuell hergestellten Übertrager, dessen korrekte Spezifikation und Kon­struktion jedoch äußerst komplex sein kann.

Dieser Artikel gibt hierzu einige Tipps und skizziert Methoden, die sehr hilfreich sein können. Im Mittelpunkt steht dabei das Tool „Power Stage Designer“ von Texas Instruments, mit dem sich Stromversorgungen einfacher und schneller entwickeln lassen.

Im Normalfall leisten die Hersteller von Übertragern Unterstützung beim Design des Übertragers, sodass die Stromversorgungs-Entwickler nur eine auf ein Minimum reduzierte Spezifikation des gewünschten Übertragers einreichen müssen. Aber oftmals ist selbst das Ausarbeiten dieser Minimalspezifikation ein Problem.

Wobei klar sein sollte, dass es unmöglich ist, den idealen Übertrager zu bauen, denn in jedem Übertrager gibt es parasitäre Effekte, und seine Leistung ist begrenzt.

Basics

Zunächst einmal zu den Grundlagen des Magnetismus, die wichtig für das Verständnis der an den Übertrager gestellten Anforderungen sind.

Magnetischer Fluss
Der elektrische Strom, der durch die Windungen eines Übertragers fließt, erzeugt eine magnetische Spannung, die wiederum einen magnetischen Fluss im Kern hervorruft. Der magnetische Fluss wiederum wird durch den magnetischen Widerstand (Reluktanz) des Kerns begrenzt.

Leider führt eine geringe Kernreluktanz zu einem hohen magnetischen Fluss, was den Übertrager in die Sättigung bringen kann. Eine Mindestanzahl an Primärwindungen ist erforderlich, um den magnetischen Fluss zu begrenzen. Zusätzlich lässt sich der magnetische Fluss mithilfe eines Luftspalts reduzieren, dessen entscheidende Aufgabe darin besteht, die Gesamtreluktanz zu erhöhen, damit sich der magnetische Fluss im Kern verringert.

Skin- und Proximity-Effekt
Wird ein Draht von einem Wechselstrom durchflossen, so ist der Stromfluss in den äußeren Bereichen des Leiterquerschnitts größer als in der Mitte, da Wirbelströme den Stromfluss in der Mitte reduzieren oder ganz unterbinden. Je höher die Frequenz ist, umso mehr wird der Strom in Richtung Leiteroberfläche verdrängt. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet.

Eine weitere Anomalie ähnlicher Art ist der Proximity-Effekt, der bei nebeneinanderliegenden Windungen auftritt. Übertrager bestehen üblicherweise aus mehreren Windungen in mehreren Lagen. Wenn also in dem Wicklungsdraht ein Strom fließt, wirkt sich das dadurch erzeugte magnetische Feld auf die Stromverteilung im benachbarten Draht aus. Skin- und Proximity-Effekt erhöhen zwangsläufig den Wechselstromwiderstand der Windung. In der Regel sinkt mit einem verringerten Drahtdurchmesser der Wechselstromwiderstand, dafür nimmt der Gleichstromwiderstand zu. Um hohe Verluste zu vermeiden, ist es wichtig, den Leiterdurchmesser, die Windungsstruktur und die Art des verwendeten Drahts (Einzeldraht oder Litze) sorgfältig auszuwählen.

Streuinduktivität
Die Streuinduktivität wird durch jenen magnetischen Fluss verursacht, der nicht in andere Windungen koppeln kann. Die Spalte zwischen den Windungen speichert Energie, die in einem Snubber-Netzwerk verbraucht wird. Um dem entgegenzuwirken, sollte die Streuinduktivität bei Sperrwandler-Übertragern minimiert werden. Die Streuinduktivität wird vorwiegend von der Windungsstruktur bestimmt. Sie lässt sich verringern, indem man eine verschachtelte Windungsstruktur wählt und die Lagen dichter packt, auch wenn dies eine erhöhte Kapazität zwischen den Windungen mit sich bringt.

Die soeben aufgezählten Überlegungen machen den Designprozess sehr komplex. Stromversorgungs-Entwickler arbeiten deshalb meist mit einem Hersteller von Übertragern zusammen und müssen sich somit nicht mit dem Skin- und dem Proximity-Effekt sowie den parasitären Effekten des Übertragers auseinandersetzen. In der Regel ist der Übertragerhersteller in der Lage, für die jeweilige Anwendung eine geeignete Windungsstruktur, einen Kern und einen Spulenträger zu empfehlen. Der Entwickler muss dem Hersteller nur eine Spezifikation zur Verfügung stellen, die folgende Mindest-Angaben enthält:

  • Windungsverhältnis
  • Primärinduktivität
  • Streuinduktivität
  • Magnetischer Fluss
  • Frequenzbereich
  • Effektiv- und Scheitelströme
  • Sicherheits- und Isolationsanforderungen
  • Bevorzugte Windungsstruktur