Stromversorgungen Moderne PWM-Controller

Die Telekommunikationshersteller verwenden neuerdings Spannungswandler für Leiterplattenmontage aus diskreten Komponenten. In der Regel ist hierfür ein potenzialfreier Gleichspannungswandler pro...

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Bicker Elektronik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Telekommunikationshersteller verwenden neuerdings Spannungswandler für Leiterplattenmontage aus diskreten Komponenten. In der Regel ist hierfür ein potenzialfreier Gleichspannungswandler pro Platine erforderlich. Die Kernspannungen des Gesamtsystems können von dieser potenzialfreien Hauptstromschiene abgeleitet werden – meist 3,3; 5 oder 12 V. Potenzialgebundene Gleichspannungswandler erzeugen Kernspannungen, was zu weiteren Einsparungen im Vergleich zum Ansatz mit schienenweisen Stromversorgungsmodulen führt. Wir zeigen Ihnen, was solche Chips heute schon können.

Um die Spannungswandler für Leiterplattenmontage einfacher implementierbar zu machen, sind Regelkreise mit den entsprechenden Funktionen erforderlich. Ein solcher Regelkreis ist ein synchroner aufwärtsgeregelter PWM-Controller mit einem Schalter, wie der LT1952. Der Schaltkreis kann in potenzialgetrennten Stromrichtern von wenigen Watt bis über 500 W eingesetzt werden. Alle erforderlichen Steuerfunktionen sind in ein einziges Gerät mit adaptivem Halten (Clamping) der maximalen Impulsdauer, mit Stromsteilheitsausgleich und Austastung an der Anstiegsflanke integriert. Die Programmierung ist äußerst einfach, sodass sich die Spannungswandlerlösungen einfach auf hohe Leistung, niedrige Kosten und kleine Komponentengrößen optimieren lassen.So schränkt zum Beispiel ein programmierbares, adaptives Clamping der maximalen Impulsdauer die Ruhespannung des Transformators unter Last ein und verbessert das Einschwingverhalten, sodass in transformatorbasierten Designs kleinere Transformatoren, MOSFETs und Ausgangs-Gleichrichter zum Einsatz kommen können.Dadurch können Durchflusswandler auf LT1952-Basis eine Topologie mit nur einem MOSFET verwenden, wobei die MOSFET-Nutzung über der Nennbetriebslast liegt. Diese Designs können Stromversorgungsmodule ersetzen, sind dabei aber viel kostengünstiger, haben einen höheren Wirkungsgrad und zeigen ein besseres EinschwingverhaltenSynchroner Stromsteuerungs-PWM-ControllerDer LT1952 ist ein synchroner Stromsteuerungs-PWM-Controller, der für die Regelung der einfachsten Durchflusswandlertopologie optimiert ist - mit nur einem primären MOSFET. Er eignet sich für Stromversorgungsnetze zwischen 25 und 500 W, bei denen es auf einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine entsprechende Zuverlässigkeit, geringe Komplexität und niedrige Kosten bei geringem Platzbedarf ankommt. Zu den wichtigsten Merkmalen zählt adaptives Clamping der maximalen Impulsdauer für den MOSFET auf der Primärseite. Allerdings verfügt er zur synchronen Gleichrichtersteuerung über ein zusätzliches Ausgangssignal. Eine 100-mV-Schwelle mit hoher Präzision stellt Überlastströme fest und löst für Kurzschlussschutz bei niedriger Belastung und Steuerung einen Softstart aus. Die wichtigsten Funktionen des LT1952 zeigt Bild 1.Im Normalbetrieb muss der Pin SD_VSEC 1,32 und der Pin VIN 14,25 überschreiten (7,75), damit der LT1952 die Komponente einschaltet.Bei dieser Kombination von Pinspannungen wird der 2,5-V-Pin VREF aktiv und versorgt die Steuerschaltungen mit Strom: ein externer Strom von bis zu 2,5 mA wird bereitgestellt. Die Schwelle von SD_VSEC kann für die externe Programmierung einer Unterspannungssperrschwelle (UVLO-Schwelle) der System-Eingangsspannung verwendet werden. Die Hysterese der UVLO-Schwelle ist ebenfalls programmierbar, weil Pin SD_VSEC direkt vor dem Einschalten des Bauteils 11 µA und nach dem Einschalten 0 µA aufnimmt.Bei eingeschaltetem LT1952 kann der Pin VIN auf bis zu 8,75 V abfallen (6,5 V beim LT1952-1), bevor das Bauteil abgeschaltet wird.Diese Hysterese von Pin VIN (5,5 V beim LT1952 und 1,25 V beim LT1952-1) zusammen mit einem geringen Anlauf-Eingangsstrom von 460 µA (400 µA beim LT1952-1) ermöglicht ein Anlaufen mit niedriger Leistung über ein Widerstand-Kondensatornetzwerk für die System-VIN zur Versorgung von Pin VIN. Der VIN-Kondensatorwert wird so festgelegt, dass vermieden wird, dass VIN unter seinen Abschalt-Schwellwert fällt, bevor eine Hilfswicklung des Umwandlers die Versorgung des Pins VIN übernimmt.Bild 2 zeigt als Beispiel einen synchronen Durchflusswandlers auf der Grundlage des LT1952-1. Der Umwandler in dieser Abbildung erzeugt einen potenzialfreien Ausgangsstrom mit 5 V, 20 A mit einem einzigen Satz von Hochleistungs-MOSFETs. Trotz des einfachen Aufbaus ist die Leistung dieses Schaltkreises beachtlich.Dank der synchronen Gleichrichtung und des genauen MOSFET-Timings lässt sich ein Wirkungsgrad von bis zu 93% bei 20 A Ausgangsstrom und bis zu 95% bei 12 A Ausgangsstrom erzielen. Der Umwandler läuft mit 300 kHz, ist ausschließlich aus gängigen Komponenten aufgebaut, belegt den Platz von 1/8 Brick und seine Materialkosten liegen laut Linear bei weniger als der Hälfte äquivalenter StromversorgungsmoduleStepdown-Controller für die IndustrieSpannungs-Sequenzialisierung, Tracking und Margining sind inzwischen verbreitete Funktionen bei Gleichstromwandlermodulen. Allerdings findet man diese Funktionen weniger häufig bei integrierten Schaltungen von DC/DC-Controllern. Das heißt: bis jetzt, denn Linear Technology hat vor kurzem einen synchronen Stepdown-Controller auf den Markt gebracht, der alle drei Power-Management-Funktionen vereint.Dieser neue LTC3770-Chip zeichnet sich auch durch seine kurze Reaktionszeit, einen Phasenregelkreis (Phase-locked Loop: PLL) zur Synchronisierung mit einem Taktgeber und eine hochgenaue Spannungsreferenz aus. Bei einer Eingangsspannung von 4 bis 32 V kann der Current-Mode-Controller einen abwärtsgeregelten Ausgang bei Strömen von bis zu ca. 25 A erzeugen (Bild 3).Die Talstrom-Architektur des Controllers mit konstanter Einschaltzeit, kombiniert mit einer sehr geringen Einschaltzeit (in der Regel 50 ns) versetzt den Steuerkreis in die Lage, schnell auf Leistungssprünge zu reagieren.Der LTC3770 kann RDS(on)-Ströme bestimmen, indem er den Spannungsabfall über den Synchronstrom-MOSFET misst. Bei Systemen, die eine genauere Regelung des Ausgangsstroms erfordern, kann ein konventioneller Prüfwiderstand an der Source des unteren MOSFET verwendet werden. In jedem Fall kann die Strombegrenzung vom Benutzer programmiert werden.Der Controller kann bei sehr geringer Impulsdauer arbeiten. In extremen Fällen kann eine Ausgangsspannung von nur 0,6 V aus Eingangsspannungen mit einer Stärke von bis zu 32 V generiert werden - sogar bei Leerlaufstrom.Bei Anwendungen, bei denen solch geringe Ausgangsspannungen erforderlich sind, ist die Genauigkeit der Spannungsreferenz des Chips sehr wichtig. Der LTC3770 bestimmt die Ausgangsspannung mit einer Genauigkeit von 60,5% bei Raumtemperatur und 60,67% bei Temperaturen zwischen 0 und 85 °C. Innerhalb des gesamten Betriebstemperaturbereichs des Geräts (-40 bis 85 °C) beträgt der Gesamtfehler bei der Ausgangsspannung lediglich 61%.Die Betriebsfrequenz des Controllers kann durch einen einzigen externen Widerstand festgelegt werden.Bei Anwendungen, die einen Betrieb bei durchgehend konstanter Frequenz erfordern, ermöglicht ein Phasenregelkreis die Synchronisierung des LTC3770 mit einem externen Taktgeber, was zur Verringerung externer elektromagnetischer Störungen beiträgtOn-Chip-Margining, Softstart und TrackingMargining ist beim LTC3770 eine per Widerstand programmierbare Funktion. Ein zwischen dem programmierbaren Margining-Eingangspin und der Masse eingesetzter Widerstand legt den Margining-Strom fest. Dieser Strom, vervielfacht durch den Widerstand zwischen den VREFOUT- und VREFIN-Pin-Sätzen, bestimmt die Regelabweichung (Offset) der Margining-Spannung. Zusätzlich bestimmen die logischen MSB- und LSB-Eingänge für die Margining-Funktion gemeinsam, ob sich die integrierte Schaltung im Status „Margin high“, „Margin low“ oder „No Margin“ befindet.Diese Funktion ist insbesondere für Anwender von Nutzen, die ihre Systeme für Testläufe durch schwankende Versorgungsspannung belasten müssen.Der LTC3770 kann entweder selbst einen Softstart über einen Kondensator durchführen oder den Ausgang einer anderen Stromquelle verfolgen (Tracking). Ist der Chip so konfiguriert, dass er einen selbstständigen Softstart durchführt, wird ein Kondensator an den TRACK/SS-Pin angeschlossen.Der Chip wird in den ausgeschalteten Zustand mit geringem Ruhestrom versetzt, wenn die Spannung am RUN-Pin unter 1,5 V liegt. Der TRACK/SS-Pin wird im ausgeschalteten Zustand aktiv an Masse gelegt. Steigt die Spannung am RUN-Pin über 1,5 V, wird der LTC3770 eingeschaltet. In diesem Fall beginnt ein Softstart-Strom von 1,4 µA damit, den Softstart-Kondensator CSS zu laden, um einen reibungslosen Ausgangsspannungs-Hochlauf zu gewährleisten.Pin Z1 muss für den Softstart-Betrieb an Masse gelegt werden. Ist der Controller so konfiguriert, dass er eine andere Spannungsquelle verfolgt, wird die gemessene Spannung der anderen Quelle von einem Widerstandsteiler dupliziert und auf den TRACK/SS-Pin angewandt. Pin Z1 sollte hierbei an INTVCC gelegt werden, um den Softstart-Strom in diesem Modus auszuschalten. Daher wird die Anstiegsrate der Spannung an diesem Pin von der Anstiegsrate der anderen Versorgungsspannung bestimmt.

Tony Armstrong

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