Linear Technology: Ein Blick in den LTM8048
DC/DC-Wandler mit neuem Regelungsansatz
Die LTM8048-µModul-Wandler von Linear Technology können dank der Controller-Architektur und der Spannungsrückkopplungsschleife auf der Sekundärseite eine Ausgangsspannung generieren, die unter, gleich oder über der Eingangsspannung liegen kann.
Linear Technology hat in seinen LTM8048-µModul-Wandlern diverse Funktionen implementiert, darunter isolierte Flyback-Controller, Leistungsschalter, 725-VDC-Transformator, mehrere Eingangs- und Ausgangskapazitäten, Kompensation sowie einen Linearregler mit geringem Ausgangs-Ripple und einer Ausgangsleistung von 1,5 W. Die Bausteine können Ausgangsspannung generieren, die unter, gleich oder über der Eingangsspannung liegen.
Einige isolierte Controller-ICs verwenden Optokoppler oder zusätzliche Transformatorwindungen für die Spannungsrückkopplung. Optokoppler verbrauchen aber einen Teil der Ausgangsleistung, hinzu kommt noch, dass die zusätzlichen Komponenten die Kosten erhöhen und eine größere Stromversorgung notwendig machen. Außerdem können Optokoppler aufgrund begrenzter Dynamik, Nichtlinearitäten, Variationen von Bauteil zu Bauteil und Alterserscheinungen zu Problemen führen. Zusätzliche Transformatorwindungen wiederum vergrößern die Abmessungen und die Kosten des Transformators, außerdem ist das dynamische Verhalten oft nur mittelmäßig. Die Regelschleife des LTM8048 dagegen kontrolliert die Schaltspannung an der Primärseite des Transformators und ermittelt, wann die Spannung auf der Sekundärseite nahe Null ist. Dieser neuartige Regelungsansatz ermöglicht einen breiten Bereich an Ausgangsspannungen an der Sekundärseite des LTM8048, der einfach mithilfe eines zusätzlichen Widerstandes bestimmt wird.
Der Schaltzyklus beginnt, wenn der interne Schalter einschaltet. Der Strom durch die Induktivität steigt bis auf den intern eingestellten Stromgrenzwert an. Die Spannung über dem Leistungsschalter steigt auf den Wert der Ausgangsspannung, geteilt durch das Übertragungsverhältnis zwischen Sekundär- und Primärwindung, plus dem Wert der Eingangsspannung. Geht der Sekundärstrom durch die Diode gegen Null, fällt die Spannung über dem Leistungsschalteranschluss unter VIN. Der DCM-Komparator (Discontinuous Conduction Mode) erkennt dies und schaltet den Schalter wieder ein. Deshalb kann im Vergleich zu einem isolierten Wandler ein kleinerer Transformator verwendet werden, der immer im Continuous Conduction Mode arbeitet.
Der integrierte Linearregler mit geringem Ausgangs-Ripple auf der Sekundärseite erzeugt eine Spannung mit geringer Welligkeit, um hochgenaue A/D-Wandler oder Verstärker mit geringem Offset zu versorgen. Wird noch zusätzlich ein optionaler Referenz-Bypass-Kondensator von 0,01 µF genutzt, sinkt der Ausgangsspannungs-Ripple auf weniger als 1 mVp-p und 20 µVRMS im Bereich von 10 Hz bis 100 kHz ab (Bild 2). Mit dem Referenz-Bypass-Kondensator verbessert sich aber auch das Transientenverhalten des Reglers. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung über den gesamten Temperaturbereich beträgt ±2,5 Prozent. Der Linearregler ist gegen Verpolung am Eingang und gegen Rückströme am Ausgang geschützt.
Mithilfe eines innovativen Designs konnte Maxim einen kompakten, isolierten 725-VDC-Transformator entwickeln, was verglichen zu anderen Lösungsansätze erhebliche Raumvorteile bei der Konstruktion des isolierten LTM8048-µModul-Wandlers zur Folge hatte. Die Module werden zu 100 Prozent in der Produktion getestet, indem eine Plus-Minus-Prüfspannung von 750 V DC über eine Sekunde angelegt wird.
Um eine gleich bleibende Leistung selbst unter schwierigsten Bedingungen sicherzustellen, wird der LTM8048 strengen Zuverlässigkeitstests unterzogen, deren Ergebnisse online in ausführlichen Reports bis heute eine Nullfehlerrate zeigen. Zu den Zuverlässigkeitstests zählen Lebensdauertests, Temperaturzyklen, thermischer Schock und Vibrationstests, um nur einige zu nennen. Das BGA-Gehäuse des LTM8048 eignet sich für den Einsatz in Applikationen, die starken Vibrationen ausgesetzt sind. Zusätzlich wird jeder LTM8048-Wandler extensiven Fertigungstests an den äußeren Grenzen des Betriebstemperaturbereichs unterzogen, der entsprechend dem MP-Grad von -55°C bis 125°C reicht.
