Isolierte DC/DC-Wandler mit minimalem Bauteileaufwand

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Noch einfacher wird es mit der Flyback-Topologie

Für eine noch einfachere Lösung für einen isolierten DC/DC-Wandler mit geringeren Leistungspegeln kann man die Flyback-Topologie einsetzen. Flyback-Wandler wurden über viele Jahre in DC/DC-Wandlerapplikationen mit galvanischer Trennung verwendet; sie sind jedoch nicht unbedingt die 1. Wahl für einen Entwickler. Die Entwickler von Stromversorgungen sind normalerweise zurückhaltend, einen Flyback-Wandler auszuwählen und zwar nur wegen der Notwendigkeit einer galvanischen Trennung bei geringeren Leistungspegeln und nicht, weil er einfacher zu entwickeln wäre.

Der Flyback-Wandler hat Stabilitätsprobleme wegen der bekannten Null in der rechten Halbwelle der Rückkoppelschleife, die weiter verschärft werden durch Alterung und Verstärkungsvariationen des Optokopplers. Ein Flyback-Wandler benötigt auch einen großen Zeitaufwand für die Entwicklung des Trafos, eine Aufgabe, die weiter verkompliziert wird durch die begrenzte Auswahl an handelsüblichen Trafos und daher der Notwendigkeit einen kundenspezifischen Trafo einsetzen zu müssen. Jüngste technische Verbesserungen bei Leistungswandlern haben es deutlich vereinfacht, einen Wandler mit galvanischer Trennung zu entwickeln. Dazu kann man z.B. den kürzlich vorgestellten isolierten Flyback-Wandler LT8302 betrachten.

Galvanische Trennung ohne Optokoppler

Zuallererst eliminiert der LT8302 die Notwendigkeit einen Optokoppler, eine Referenzspannung auf der Sekundärseite und eine separate dritte Wicklung für den Leistungstrafo einsetzen zu müssen, und behält dabei doch die galvanische Trennung zwischen der Primär- und Sekundärseite bei, da nur ein Bauteil, der Leistungstrafo, die Isolationssperre kreuzt. Der LT8302 hat eine Messschaltung auf der Primärseite, die in der Lage ist, die Ausgangsspannung über die Signalform des Schaltknotens auf der Primärseite des Flyback-Wandlers zu messen.

Während der ausgeschalteten Periode des Schalters, liefert die Ausgangsdiode den Strom für den Ausgang und die Ausgangsspannung wird auf die Primärseite des Flyback-Trafos reflektiert. Der Wert der Spannung des Schaltknotens ist die Summe der Eingangsspannung und der reflektierten Ausgangsspannung, die der LT8302 rekonstruieren kann. Diese Rückkoppeltechnik der Ausgangspannung resultiert in einem Gesamtfehler der Regelung von unter ±5% über den vollen Leitungs-, Last- und Temperaturbereich. Bild 3 zeigt die Schaltung des Flyback-Wandlers mit dem LT8302 und nur 14 externen Komponenten.

Burst-Mode reduziert Welligkeit bei kleiner Last

Der LT8302 ist im thermisch verbesserten SO-8-Gehäuse verfügbar und akzeptiert Eingangsspannungen zwischen 2,8 und 42 V. Sein robuster integrierter 3,6-A-/65-V-DMOS-Leistungsschalter ermöglicht ihm, eine Ausgangsleistung bis zu 18 W zu liefern. Darüber hinaus hat der LT8302 auch die Betriebsart Burst-Mode, die die Welligkeit der Ausgangsspannung bei geringer Last verringert und den Ruhestrom auf nur 106 µA senkt, eine Funktion, die die Batteriebetriebszeit im Standby-Modus verlängert und dabei die Ausgangsspannung in der Regelung hält. Weitere Funktionen sind ein interner Softstart und einen Unterspannungs-Sperre. Das Wicklungsverhältnis des Trafos und ein einziger externer Widerstand sind alles was benötigt wird, um die Ausgangsspannung einzustellen.

Messen der Ausgangspannung auf der Primärseite

Das Messen der Ausgangsspannung bei einem Wandler mit galvanischer Trennung erfordert normalerweise einen Optokoppler und eine Referenzspannung auf der Sekundärseite. Ein Optokoppler überträgt das Rückkoppelsignal der Ausgangsspannung über die optische Verbindung, wobei die Isolationssperre erhalten bleibt. Das Übertragungsverhältnis eines Optokopplers ändert sich jedoch mit der Temperatur und dem Alter, wodurch seine Genauigkeit abnimmt.

Optokoppler können auch von Bauteil zu Bauteil nicht-linear sein, was unterschiedliche Verstärkungs-Phaseneigenschaften von Schaltung zu Schaltung verursacht. Ein Flyback-Design, das eine zusätzliche Trafowicklung für die Spannungsrückkopplung enthält, kann auch dazu benutzt werden, die Rückkoppelschleife abzuschließen. Diese extra Trafowicklung erhöht jedoch auch die Ausmaße und Kosten des Trafos und liefert darüber hinaus keine gute Regelung der Ausgangsspannung.

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