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Ausgabe 11-12/2020, 16.07.2020

...von ±12 V aus Eingangsspannungen von 30 V bis 400 V mit einem einzigen IC

Bei bipolaren Stromversorgungen, wo hohe Spannungen in ±12 V umgewandelt werden müssen, gilt es, ganz besondere Herausforderungen zu bewältigen – angesichts rasant technischer Entwicklungen in zunehmendem Masse. Linearregler sind zwar hoch im Kurs, können aber nicht allen Anforderungen genügen. Worin besteht die Lösung?

Autor: Zhijun (George) Qian, Senior Engineer und William Xiong, Applications Engineer

Elektrofahrzeuge und grosse Speicherbatteriesätze, aber auch Stromversorgungen für Home-Automation-, Industrie- und Telekommunikationsanwendungen machen es notwendig, hohe Spannungen in ±12 V umzuwandeln, wenn für Verstärker, Sensoren, Datenwandler und industrielle Prozesssteuerungen eine bipolare Stromversorgung benötigt wird. Zu den Herausforderungen in allen diesen Systemen gehört die Realisierung eines kompakten und effi zienten, bipolaren Reglers, der in einem Temperaturbereich von –40 °C bis +125 °C einsetzbar ist, was im Automobilbereich und in Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen besonders wichtig ist.

Linearregler sind nur begrenzt optimal
Auf der Kandidatenliste für bipolare Stromversorgungen stehen die bestens bekannten Linearregler meist ganz oben. Für die eingangs erwähnten Anwendungen mit hoher Eingangsspannung und niedriger Ausgangsspannung kommen sie jedoch nicht in Frage, was hauptsächlich dadurch begründet ist, dass in ihnen viel Verlustwärme entsteht, sobald das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung sehr gross wird. Hinzukommt, dass für eine bipolare Lösung mindestens zwei integrierte Schaltungen (ICs) nötig sind – ein Linearregler für die positive und ein Wandler für die negative Spannung. Besser wäre es dagegen, wenn ein einziger Schaltregler aus einer relativ hohen Eingangsspannung beide Ausgangsspannungen erzeugen könnte, dabei einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Regelgenauigkeit bieten und wenig Platz beanspruchen würde und überdies noch kostengünstig wäre.
Hier wird auf zwei elegante Schaltungen mit dem Hochvolt-Wandler LT8315 eingegangen, die aus Eingangsspannungen von 30 V bis 400 V Ausgangsspannungen von ±12 V erzeugen. Bei der einen Schaltung handelt es sich um einen isolierten Sperrwandler, während die andere auf einer nicht isolierten Abwärtswandler-Topologie beruht. Der LT8315 ist ein monolithischer Hochvolt-Wandler mit einem integrierten, für 630 V/300 mA ausgelegten MOSFET, Regelschaltungen und einer Hochvolt-Anlaufschaltung – alles integriert in ein TSSOP-Gehäuse mit 20 Anschlüssen.

Isolierter, bipolarer Sperrwandler ohne Optokoppler
Sperrwandler (Flyback Converters) werden häufi g in Anwendungen mit mehreren Ausgängen eingesetzt, um für galvanische Isolation zu sorgen sowie die funktionale Sicherheit und die Störimmunität zu verbessern. Abhängig davon, welche Seite des Ausgangs mit der Masse verbunden wird, können positive oder negative Ausgangsspannungen erzeugt werden. Die Regelung der Ausgangsspannung wird traditionell erzielt, indem per Optokoppler Informationen von den sekundärseitigen Referenzschaltungen an die Primärseite übermittelt werden. Problematisch hieran ist, dass Optokoppler erheblich mehr Komplexität mit sich bringen und wegen der Signallaufzeit, der Alterung und des schwankenden Stromübertragungsverhältnisses die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. In der Regel wird die Regelschleife vom Ausgang dominiert, der mit dem Feedback-Anschluss des IC verbunden ist, während die übrigen Ausgänge über die Wicklungen des Übertragers nur lose angekoppelt sind, was ihnen nur mässige Regelungseigenschaften verleiht.
Der LT8315 kommt dagegen ohne Optokoppler aus und erfasst die refl ektierte, isolierte Ausgangsspannung an einer dritten Wicklung des Leistungsübertragers. Da die Ausgangsspannung ausserdem erfasst wird, wenn der Sekundärstrom nahezu null ist, wird eine hervorragende Lastregelung erzielt. In einem Design mit zwei Ausgängen führt dieses besondere Abtastprinzip zu einer hohen Regelgenauigkeit an jedem Ausgang. Beide Ausgänge können also die Regelung dominieren, und es ist ohne weiteres möglich, eine Lastregelung von typisch ±5 Prozent zu erzielen.

Minimale Einschaltverluste
Die in Bild 1 gezeigte LT8315-Lösung arbeitet im Quasiresonanz-Boundary-Conduction-Modus. Im primärseitigen MOSFET entstehen minimale Einschaltverluste, weil das Einschalten genau dann erfolgt, wenn die Schwingungen am Schaltknoten ein Minimum erreichen. Auf der Sekundärseite kommt es ausserdem zu keinen DiodenSperrverzögerungsverlusten. Als einziges Bauelement überquert ein Übertrager mit verstärkter Isolation (3 kV) die Isolationsbarriere, was die Systemzuverlässigkeit erhöht und die strikten Anforderungen bezüglich der Hochspannungs-Isolation berücksichtigt.
Bild 2 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung. Wie man sieht, erreicht dieser Sperrwandler einen maximalen Wirkungsgrad von 85,3 Prozent, wenn die Eingangsspannung 70 V beträgt und beide Lastströme je 50 mA betragen.
In Bild 1 ist das komplette Schaltbild eines Sperrwandlers mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 30 V bis 400 V zu sehen. Die Schaltung erzeugt Ausgangsspannungen von ±12 V und erzielt eine genaue Lastregelung bei Lastströmen von 5 mA bis 50 mA. Wie Bild 2 erkennen lässt, beträgt der maximale Wirkungsgrad 85,3 Prozent.

Nicht isolierter bipolarer Abwärtsregler mit zwei Induktivitäten
Die Eignung des LT8315 für hohe Eingangsspannungen kann in nicht isolierten Lösungen durch Verwendung handelsüblicher Induktivitäten genutzt werden. Ein nur wenige externe Bauelemente benötigender Abwärtsregler mit zwei Induktivitäten ist in Bild 3 zu sehen. Der Wandler unterstützt einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich von 30 V bis 400 V und erzeugt am Ausgang ±12 V bei 30 mA. Die Schaltung kommt bei 30 V Eingangsspannung und vollem Laststrom an beiden Ausgängen auf einen Wirkungsgrad von 87 Prozent.
Das GND-Pad des LT8315 ist in dieser Topologie bewusst nicht mit der Masse verbunden, sondern fungiert als gemeinsamer Schaltknoten für beide Ausgänge. Für das LeiterplattenLayout sollte die Grösse des GND-Pads des LT8315 auf die Fläche des exponierten Pads beschränkt sein, um die elektromagnetischen Störbeeinfl ussungen für andere Bauelemente zu verringern, denn die GND-Leiterbahn ist in dieser Topologie ein Schaltknoten mit relativ hohem Störaufkommen. Die Diode D2 und die beiden 1-Prozent-Widerstände am FB-Pin bilden den Rückkopplungspfad zur Regelung der positiven Ausgangsspannung. D2 ist nötig, um ein Entladen des FB-Pins zu unterbinden, wenn der MOSFET leitend ist. Der resistive Spannungsteiler muss die an D2 abfallende Vorwärtsspannung nicht berücksichtigen, weil die Vorwärtsspannungen von D2 und D3 identisch sind und sich somit gegenseitig aufheben. Das Rückkopplungs-Netzwerk verfolgt somit die positive Ausgangsspannung und regelt sie exakt.

Spannung an CFLY konstant
Die negative Seite umfasst einen für niedrige Spannungen ausgelegten Koppelkondensator (CFLY), eine zweite Induktivität (L2), eine Catch-Diode (D4) und den negativen Ausgangskondensator CO2. Gemäss dem Voltsekunden-Gleichgewicht der Induktivitäten für den Stromkreis CO1-L1-CFLY-L2 ist die durchschnittliche Spannung an L1 und L2 gleich null, sodass die Spannung am Koppelkondensator CFLY gleich der positiven Ausgangsspannung ist. CFLY lädt L2 während der Leitphase des MOSFET, während sich L2 über D4 entladen kann, solange der MOSFET abgeschaltet ist. Die negative Ausgangsspannung wird indirekt auf der Basis der Tatsache geregelt, dass die Spannung an CFLY konstant bleibt und gleich der positiven Ausgangsspannung ist. Wie an der Regelungskurve in Bild 4 zu sehen ist, wird für den negativen Ausgang eine Regelgenauigkeit von ±5 Prozent erzielt, und zwar für Lastströme von 3 mA bis 30 mA und für verschiedene Eingangsspannungen, wenn der positive Laststrom den Maximalwert von 30 mA hat.

Zusammenfassung
In diesem Artikel wurden ein isolierter und ein nicht isolierter bipolarer Wandler für einen weiten Eingangsspannungsbereich von 30 V bis 400 V vorgestellt. In beiden Schaltungen kommt der LT8315 zum Einsatz, der über einen integrierten Hochvolt-MOSFET verfügt, keinen Optokoppler in der Rückkoppelschleife benötigt und eine eingebaute HochvoltAnlaufschaltung besitzt. Weitere Eigenschaften des IC sind ein durch geringe Welligkeit gekennzeichneter Burst Mode, eine SoftstartFunktion, eine programmierbare Strombegrenzung, eine Unterspannungs-Sperre, eine Temperaturkompensation und eine niedrige Ruhestromaufnahme. Der hohe Integrationsgrad des LT8315 vereinfacht das Design von Schaltungen mit hoher Eingangsspannung und bipolarem Ausgang für eine Vielzahl von Anwendungen. «

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Bild 1: Komplett-Schaltbild eines isolierten Sperrwandlers für ±12 V/50 mA am Ausgang und Eingangsspannungen zwischen 30 V und 400 V.


Bild 2: Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung für den Sperrwandler aus Bild 1.


Bild 3: Schaltbild eines nicht
isolierten Abwärtswandlers mit zwei Induktivitäten und einem IC des Typs LT8315: Eingangsspannungen von 30 V bis 400 V werden in ±12 V mit je 30 mA Laststrom verwandelt.


Bild 4: Lastregelungskurven des negativen 12-V-Ausgangs der Schaltung aus Bild 3 für verschiedene Eingangsspannungen.


Zhijun (George) Qian arbeitet
als Senior Engineer bei Analog
Devices. Er ist für den Einsatz
verschiedener isolierter und
nicht isolierter Wandler in
Stromversorgungs-Anwendungen zuständig. Er besitzt ein Bachelor- und ein
Master-Diplom von der Zhejiang-Universität und einen Doktortitel von der University of Central Florida, alle auf dem Gebiet der Leistungselektronik. 2010 trat er bei Linear Technology (inzwischen zu ADI gehörend) ein.


William Xiong erwarb 2017 an
der Cal Poly, San Luis Obispo, sein
Bachelor-Diplom im Fach Elektrotechnik und nahm im Juli 2017 seine Tätigkeit als Designingenieur bei Analog Devices auf. Er befasst sich mit Buck-, Boost- und isolierten Topologien wie etwa Sperr- und Durchfl usswandlern.