Power-Tipp

Bessere Regelschleifen in galvanisch isolierten Anwendungen

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

Bild 1: Sperrwandler mit isoliertem Fehlerverstärker im Rückkoppelpfad
Bild 1: Sperrwandler mit isoliertem Fehlerverstärker im Rückkoppelpfad (Bild: ADI)

Es gibt unterschiedliche DC/DC-Wandler Topologien, welche galvanische Trennung ermöglichen. Die üblichsten Arten sind Sperrwandler (Flyback), Flusswandler (Forward, Push-Pull) sowie Brückenwandler (Full-Bridge, Half-Bridge). Häufig werden die entsprechenden Schaltregler wie in Bild 1 dargestellt auf der Primärseite betrieben. Dies bringt den Vorteil, dass sich der Regel-IC direkt von der Eingangsspannung mit Energie versorgen kann und somit keine umständliche Hilfsspannungsversorgung über eine galvanische Trennung notwendig ist, um die Schaltung in Betrieb zu setzen.

Ebenfalls können bei primärseitig betriebenen Stromversorgungen die Schaltelemente der Primärseite, wie beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, direkt angesteuert werden, ohne über die galvanische Trennung geführt zu werden. Um bei solchen Stromversorgungen die Regelschleife zu schließen und damit die Ausgangsspannung zuverlässig zu regeln, ist es notwendig Informationen zur aktuellen Ausgangsspannung über die galvanische Trennung zu führen. In Bild 1 ist dieser Pfad in grün dargestellt.

Um die galvanische Trennung mit dem Rückkoppelpfad zu überbrücken, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die weitaus Üblichste ist die Verwendung eines Optokopplers. Diese Lösung hat sich seit vielen Jahren bewährt. Es gibt jedoch einige Nachteile. Der Stromverbrauch eines Optokopplers ist sehr hoch. Bei einem Stromverbrauch von 20 mA bei 5 V ergeben sich 100 mW Energieaufwand.

Optokoppler können üblicherweise nur bei einer Temperatur unterhalb von 85˚C betrieben werden. Die Übertragungsfunktion, CTR (Current Transfer Ratio) eines Optokopplers verändert sich ungünstig über die Betriebszeit, was dadurch abgefangen wird, dass die Regelschleife der Stromversorgung langsamer eingestellt wird, um auch mit einer Alterung des Optokopplers (CTR Veränderung) noch eine stabile Regelschleife zu erreichen. Die Regelschleife ist ohnehin bereits sehr langsam, da nur Bandbreiten von 25 kHz üblich sind.

Eine Möglichkeit, die Regelschleifengeschwindigkeit stark zu erhöhen, ist die Nutzung eines isolierten Fehlerverstärkers wie beispielsweise den ADuM3190 von Analog Devices.

Die Bauart basiert auf einer induktiven Kopplung, welche komplett in dem Produkt integriert ist. Hierbei lassen sich wesentlich schnellere Regelschleifen implementieren. Zum einen gibt es keine CTR Veränderungen wie bei Optokopplern, die den Entwickler dazu zwingen zusätzliche Sicherheiten vorzusehen, zum anderen ermöglicht der ADuM3190 wesentlich höhere Bandbreiten.

Eine Bandbreite mit 250 kHz lässt sich realisieren, welche einer Bandbreitenverbesserung um den Faktor 10 entspricht. Bild 2 zeigt das Transientenverhalten einer Beispielschaltung in der Push-Pull Topologie mit einem ADuM3190 von 10 zu 90% Laststrom (blau) und zurück. Der nominale Laststrom ist für 1 A ausgelegt. Die Ausgangsspannung der Schaltung (grün) ist auf 5 V eingestellt und reagiert innerhalb von 100 µs mit 150 bis 200 mV Spannungsveränderung. Die Schaltfrequenz liegt in diesem Beispiel bei 1 MHz, die Induktivität wurde mit 47 µH und der Ausgangskondensator mit 22 µF ausgewählt.

Es gibt noch eine dritte Möglichkeit, die Ausgangsspannung einer galvanisch getrennten Stromversorgung ohne eine Überbrückung der galvanischen Trennung zu regeln. Dies kann mit einer zusätzlichen ‚Regelwicklung‘ am Transformator erfolgen oder auch durch Messungen an der primärseitigen Transformatorwicklung. Beide dieser Möglichkeiten regeln jedoch die Ausgangsspannung ungenauer als eine Schaltung mit direkter Messung der Ausgangsspannung. Diese Ungenauigkeit fällt besonders bei Temperatur- sowie Laststromveränderungen auf.

Neben diesen erheblichen Vorteilen, die ein isolierter Fehlerverstärker bezüglich der Regelschleifengeschwindigkeit bringt, wird auch Energie gespart, da nur ca. 35 mW vom ADuM3190 aufgenommen werden. Die Umgebungstemperatur darf 125˚C betragen und es gibt keine störenden CTR Veränderungen mit der Betriebszeit, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Schaltungsentwicklung vereinfacht.

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

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