Breitere Komponentenauswahl dank neuer Wandler-Topologien

Direkte Abwärtswandler Breitere Komponentenauswahl dank neuer Wandler-Topologien

24.10.2013Autor / Redakteur: Janusz Bicki * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Sperrwandler sind sparsam im Verbrauch und eignen sich deshalb bestens für den Einsatz in energieeffizienten Geräten – allerdings nicht immer! Bisweilen sind direkte Abwärtswandler die bessere Wahl – würden eine begrenzte Teileauswahl und Supply-Chain-Risiken nicht so sehr abschrecken.

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Demoboard eines Flyback-Wandlers von NXP: Sperrwandler haben sich für Offline-Netzteile von energieeffizienten Geräten durchgesetzt – in manchen Fällen bieten sich jedoch auch andere Architekturen an
(Bild: NXP)

Aufgrund ihres niedrigen Stromverbrauchs haben sich Sperrwandler (Flyback Converter) für Offline-Netzteile von energieeffizienten Geräten durchgesetzt. Allerdings ist diese Topologie nicht immer optimal. So bietet sich für Anwendungen mit einer Last unter 5 W und wenn keine Isolierung erforderlich ist, der direkte Abwärtswandler (Buck Converter) als Alternative an, etwa für Verbrauchsmessungen, Heizungssteuerungen, automatisierte Bewässerungsanlagen sowie industriellen Steuerungen. OEMs verhalten sich aufgrund des begrenzten Herstellerangebots der für Buck-Konverter-Designs benötigten direkten Buck-Konverter-Regler allerdings zurückhaltend gegenüber dieser Technologie. Eine begrenzte Teileauswahl und Supply-Chain-Risiken schrecken zu sehr ab.

Schnell und kostengünstig zum direkten Abwärtsregler

Zu Unrecht, wie die in diesem Beitrag vorgestellte Möglichkeit zur Implementierung von direkten Buck-Konvertern belegt. Durch das Abändern eines herkömmlichen Flyback-Konverter-Designs lässt sich schnell und kostengünstig ein direkter Abwärtsregler entwickeln. Da es sich bei der Regelung eines Flyback-Konverters um einen gängigen Gerätetyp handelt, gibt es hierzu ein umfangreiches Angebot an Herstellern, wie Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, NXP Semiconductors und Vishay.

Die Popularität von Offline-Buck-Konvertern

Vergleich der Topologien: direkte Buck-Konverter vs. Flyback-Konverter
(Bild: Future)

Die Tabelle vergleicht die Vor- und Nachteile der Buck- und Flyback-Konverter-Topologie. Zu den Vorzügen eines Buck-Konverters zählt der geringe Preis und Formfaktor. Zur Attraktivität trägt ebenfalls das einfache Design gegenüber der Flyback-Konverter-Topologie für offline Anwendungen mit geringem Strombedarf bei, die keine Isolierung erfordern.

Vom Flyback-Konverter zum direkten Buck-Schaltkreis

Durch die Detailanalyse des Betriebs von direkten Abwärtsreglern mit Sperrwandlern wird deutlich, warum ein Regler, der ursprünglich für die Flyback-Konversion entwickelt wurde, auch in einem direkten Buck-Schaltkreis eingesetzt werden kann.

Bild 1: Vereinfachtes Schema der Flyback-Konverter-Topologie
(Bild: Future)

In der vereinfachten schematischen Abbildung des Sperrwandlers (Bild 1) ist Q₁ der Hauptschalter, der von einem Regler gesteuert wird. Bei den meisten Low-Power-Konfigurationen ist dieser MOSFET in den Regler integriert, was zu einem vereinfachten Design und reduzierter Anzahl an Komponenten führt. L_p und L_s sind die primär- und sekundärseitigen Induktivitäten des Transformators. Diode D₁ korrigiert die Spannung von der Spule; Kondensator C₁ glättet die Ausgangsspannung. Die typischen Wellenformen des Stroms, die diese Topologie charakterisieren, zeigt Bild 2.

Transformator als paarweise gekoppelte Spulen

Bild 2: Wellenformen der Flyback-Konverter-Schaltung
(Bild: Future)

Wenn Q₁ an ist, wird eine Spannung über L_p aktiv, die dadurch Strom durch sie zieht. Dies lädt die primäre Spule auf. Zu diesem Zeitpunkt durchfließt die sekundäre Spule kein Strom. Am Ende von T_ON schaltet sich Q₁ ab. Da die Transformatorwicklungen gekoppelt sind, fließt der im Kern gespeicherte Strom jetzt durch die Sekundärwicklung Ls. In diesem Stadium ist der Strom in der Primärwicklung gleich 0 und der gespeicherte Strom (proportional zu N_p/N_s – d.h. die Anzahl der primären und sekundären Wicklungen) fließt durch die Gleichrichter-Diode auf der sicheren, sekundären Seite. Übrigens: In der Flyback-Konverter-Schaltung fungiert der Transformator als paarweise gekoppelte Spulen: Strom fließt zu einem Zeitpunkt nur durch eine der Wicklungen.

Vergleich von Flyback-Konverter und Buck-Konverter-Topologie

Der Betrieb eines Flyback-Konverters kann jetzt mit dem Betrieb einer typischen Buck-Konverter-Topologie verglichen werden.

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