Breitere Komponentenauswahl dank neuer Wandler-Topologien

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Das Design der Rückkoppelungsschaltung

Die Hauptfunktion des Netzteils besteht darin, eine stabile Ausgangsspannung bereitzustellen, unabhängig von Schwankungen der Belastung oder Eingangsspannung. Um dies zu bewirken, muss die Schaltung ein Rückkopplungssignal beinhalten, das auf einer stabilen Referenz-Spannungsquelle basiert.

Techniken zur Steuerung der Ausgangsspannung

Es existieren eine Reihe verschiedener Techniken zur Steuerung der Ausgangsspannung, z.B. Spannungssteuerung, Stromregelung und konstante Anschaltung. Hier wird zur Illustration der Betrieb der Schaltung aufbauend auf einem Fehlerverstärker beschrieben, der zur Implementierung einer Spannungssteuerung eingesetzt wird. Die gleichen Grundsätze, die für dieses Betriebsszenario gelten, treffen auch für jede andere Methode der Steuerung der Ausgangsspannung zu.

Eingang- und Ausgang an einem gemeinsamen Bezugspunkt

Bild 6: Eine typische Buck-Konverter-Rückkoppelungsschaltung
(Bild: Future)

Eine typische Feedback-Schaltung für einen Buck-Konverter hat seinen Eingang- und Ausgang an einem gemeinsamen Bezugspunkt, der normalerweise Masse ist. Darauf aufbauend ist es einfach, eine Referenzspannung zu verwenden, die von einem Fehlerverstärker (EA) verglichen werden kann, der in der Regel im Controller wie dem LTC1441 von Linear Technology integriert ist (gestrichelte Linie in Bild 6). Die in den Regler implementierte Logik nutzt dieses Fehlersignal, um die Pulsweite und/oder Frequenzhäufigkeit des Schalters Q₂ zu regulieren. In einem von Haus aus isolierten Flyback-Konverter ist dieser gemeinsame Bezugspunkt nicht verfügbar.

Bild 7: Eine typische Flyback-Konverter-Rückkoppelungsschaltung
(Bild: Future)

Daher muss die Referenzspannung auf der sicheren, sekundären Seite des Konverters gehalten werden, und der Fehlerverstärker muss dann sein Signal auf die primäre Seite leiten (Bild 7). Um eine Kombination aus einer Referenzspannungs-Quelle und einem Fehlerverstärker zu ermöglichen, bildet ein Shunt-Regler wie der SPX431 von Exar einen gängigen Komponententyp. Das Fehlersignal muss isoliert werden, indem es beispielsweise durch einen Optokoppler wie den VO61xA von Vishay oder den FODM121 von Fairchild Semiconductor geleitet wird. R₂, C₈ und C₇ gewährleisten die Stabilität der Frequenz.

Noch immer wird ein Optokoppler gebraucht

Es besteht allerdings kein großer Vorteil in der Umsetzung der in Bild 7 gezeigten Schaltung gegenüber der dedizierten Buck-Konverter-Controller-Schaltung in Bild 6. Während der Flyback-Controller jetzt eine Schaltung ohne Transformator steuert, ist immer noch ein Optokoppler und damit eine relativ teure Komponente erforderlich.

Bild 8: Alternatives Design für eine Flyback-Controller-Schaltung, die den Shunt-Regler überflüssig macht
(Bild: Future)

Auch in dem alternativen Entwurf für eine Flyback-Controller-Schaltung in Bild 8, in der eine einfache Zener-Diode den Shunt-Regler ersetzt, spricht der geforderte Optokoppler gegen eine solche Implementierung.

Weitere Änderung zur Implementierung eines direkten Buck-Konverter-Reglers

Allerdings lässt sich mit Hilfe einer weiteren Änderung die Implementierung eines direkten Buck-Konverter-Reglers, der von einem Flyback-Kontroller gesteuert wird, effizient darstellen. Das beruht auf der Tatsache, dass der Controller nicht geerdet sein muss: wie in herkömmlichen Buck-Konvertern muss das Powerelement nicht geerdet sein (Bild 9).

Bild 9: Der direkte Buck-Konverter wird durch potenzialfreien Flyback-Konverter-Regler gesteuert
(Bild: Future)

Die interne Logik des Reglers wird auf die Quelle des Schalters Q₇ verwiesen. Für die Referenzspannung schwingt die Quelle von Q₇ zwischen dem Spannungsabfall über die Gleichrichter-Diode D2 und die Eingangsspannung, sodass zusätzliche Komponenten benötigt werden, um die Ausgangsspannung an den Fehlerverstärker zu übergeben. In dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung über D₁ und R₁ zu C₂ repliziert.

Wenn der Schalter geöffnet ist, ist der Spannungsabfall über die Gleichrichter-Diode nahezu 0 V. Der Strom über C₂ durchfließt D₁ und lädt den Kondensator, bis die Ausgangsspannung erreicht ist. Ist der Schalter geschlossen, ist das Spannungspotenzial an der Quelle von Q₇ höher als auf der Kathode von D₁, die nun in die entgegengesetzte Richtung polarisiert ist; es fließt kein Strom durch C₂. Die Spannung über C₂ behält somit ein konstantes Offset proportional zur Ausgangsspannung. Die Diode D_ref bestimmt daher den Wert der Spannung, die bei der Ausgabe gewartet werden muss, und gibt ihr Signal direkt an den Fehlerverstärker innerhalb des Reglers.

Flyback-Konverter-Regler steuert direkten Buck-Konverter

Die direkte Buck-Konverter-Schaltung ist eine attraktive Topologie für offline Netzteile <5 W, da sie ohne Isolation auskommt. Eine solche Schaltung kann durch einen Flyback-Konverter-Regler gesteuert werden. Sie kann ähnlich wie eine Schaltung mit einem dedizierten direkten Buck-Konverter-Regler implementiert werden, ohne dass dazu zusätzliche Komponenten, wie Optokoppler erforderlich sind. Da Flyback-Konverter Regler problemlos bei vielen Anbietern wie ON Semiconductor, Fairchild, NXP und Vishay erhältlich sind, stellt ein solches Design keine Supply-Chain-Risiken dar. Dafür bietet es dem Hersteller die nötige Auswahl, um sich für ein Gerät eng an den Anforderungen der Anwendung zu orientieren.

* Janusz Bicki ist Central Applications Manager bei Future Electronics (EMEA).

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