Power-Tipp

Positive und negative Spannung mit SEPIC-ĆUK-Wandlern erzeugen

27.11.13 | Autor / Redakteur : Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bild 1: SEPIC-ĆUK- Topologie, um symmetrische positive und negative Spannungen mit nur einem Schaltregler zu erzeugen
Bild 1: SEPIC-ĆUK- Topologie, um symmetrische positive und negative Spannungen mit nur einem Schaltregler zu erzeugen ( Bild: Frederik Dostal )

SEPIC-ĆUK-Wandler sind eine Kombination aus einer SEPIC-Schaltung, die eine postive Spannung erzeugt, und einer ĆUK-Schaltung, die eine negative Spannung erzeugt. Damit lassen sich mit einem Schaltregler aus einer positiven Eingangsspannung symmetrische positive und negative Ausgangsspannungen herstellen.

Übliche Spannungswandlertopologien für nicht galvanisch getrennte Anwendungen sind der Abwärts- und Aufwärtswandler. Neben diesen Schaltungen gibt es sehr viele weitere Topologien.

Eine unübliche aber sehr interessante und nützliche Schaltung ist die SEPIC-ĆUK Topologie. Es ist eine Kombination aus einer SEPIC-Schaltung (Single Ended Primary Inductance Converter), welche eine positive Ausgangsspannung erzeugt, und einer ĆUK-Schaltung (benannt nach Slabodan Ćuk), welche eine negative Ausgangsspannung erzeugt. Mit der SEPIC-ĆUK-Topologie kann also aus einer positiven Eingangsspannung sowohl eine positive Spannung erzeugt werden, welche größer oder kleiner als die Eingangsspannung ist sowie eine symmetrische negative Spannung.

Das Besondere an der Kombination aus SEPIC und ĆUK ist die Möglichkeit, beide Spannungen mit nur einem Schaltregler zu erzeugen. Dabei sind beide Spannungen relativ genau geregelt. Obwohl es geringe Spannungsabweichungen bei unterschiedlichen Ausgangsströmen geben kann, ist die Regelung genauer als bei ungeregelten Sekundarwicklungen einer Sperrwandlertopologie. Bei Sperrwandlern hat die Streuinduktivität des Transformators ungünstigen Einfluss auf die Genauigkeit ungeregelter Sekundarspannungen.

Die Grundlage für das Zusammenspiel von SEPIC und ĆUK ist die Ähnlichkeit der grundlegenden Regelfunktionen. Ein SEPIC-Wandler stellt das Pulsbreitenverhältnis nach Gleichung 1 ein:

Gleichung 1.
Gleichung 1.

Diese Gleichung beschreibt, wie sich das Pulsbreitenverhältnis D einstellen muss, damit eine definierte Ausgangsspannung erzeugt wird. Bei der spannungsinvertierenden ĆUK-Topologie gilt für die Regelfunktion Gleichung 2.

Gleichung 2.
Gleichung 2.

Die Regeln für das jeweilige Pulsbreitenverhältnis bei der SEPIC- und ĆUK-Topologie ist also gleich, jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen. Die Schaltknotenspannungen sowie die Ströme durch die Induktivitäten sind identisch. Somit ist es möglich, die beiden Schaltreglertypen einfach miteinander zu verbinden. Bild 1 zeigt die Schaltung einer SEPIC-ĆUK-Topologie.

Der größte Nachteil dieses Konzeptes besteht darin, dass vier Induktivitäten notwendig sind. Jeweils zwei dieser Induktivitäten können aber um einen Spulenkern angebracht werden. Es reichen also zwei Induktivitäten mit jeweils zwei Wicklungen. Solche Spulen werden als ‚SEPIC‘-Induktivitäten von vielen Speicherdrosselherstellern im Standardprogramm angeboten. Diese gekoppelten Spulen bieten einige Vorteile. Die Stromwelligkeit in den Induktivitäten wird halbiert und die Regelschleifen-Übertragungsfunktion wird vereinfacht. Dies lässt höhere mögliche Bandbreiten zu.

Die SEPIC–ĆUK-Topologie ist trotz ihrer Vorteile noch nicht sehr weit verbreitet. Um einen schnellen Einstieg in die Materie zu bekommen, gibt es von Analog Devices die Applikationsschrift AN-1106, welche viele Details erklärt. Ebenfalls steht ein Berechnungstool bereit, das gute Dienste bei der Dimensionierung der Schaltung leistet. Dabei handelt es sich um die Software ADIsimPower (Bild 2), welche vom Produktordner des ADP1613 von der Webseite abgerufen werden kann.

Bild 2: Screenshot der ADIsimPower Software um eine SEPIC-ĆUK-Schaltung mit einem ADP1613 zu evaluieren.
Bild 2: Screenshot der ADIsimPower Software um eine SEPIC-ĆUK-Schaltung mit einem ADP1613 zu evaluieren. ( Bil: ADI )

ADIsimPower beinhaltet neben Effizienzberechnungen und Auswahl der optimalen passiven Bauteile auch eine genaue Analyse der Regelschleifenkompensation.

Bei der Regelschleifenbetrachtung stellt man fest, dass die SEPIC-ĆUK-Schaltung genauso wie ein Aufwärtsregler und die meisten Buck-Boost-Regler eine Nullstelle in der rechten Halbebene (RHP) hat.

Das Durchschreiten der 0-dB-Linie sollte ca. bei einem Fünftel der Frequenz der RHP-Nullstelle liegen, um ein stabiles Regelverhalten zu erlangen.

Für Anwendungen, die eine positive als auch eine negative Spannung benötigen und nicht galvanisch getrennt sein müssen, kann es von Vorteil sein eine SEPIC-ĆUK-Topologie näher in Betracht zu ziehen. Gerade bei kleinen benötigten Leistungen sind die Kosten für die benötigten vier Induktivitäten überschaubar. Dies ist besonders bei Verwendung von zwei Spulen mit jeweils zwei Wicklungen der Fall.

* Frederik Dostal ist bei Analog Devices im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

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