Hochspannungs-Sperrwandler

Isolierter Sperrwandler kommt ohne Optokoppler aus

02.05.17 | Autor / Redakteur: George Qian / EP Online

Design Note 559
Design Note 559 (Bild: Linear Technology)

In isolierten Sperrwandlern für hohe Eingangsspannungen verwendet man normalerweise Optokoppler, um die Regelinformationen über die Isolationsbarriere zu übertragen. Zu den bekannten Nachteilen der Optokoppler kommt als weiterer Minuspunkt hinzu, dass zusätzliche Bauelemente benötigt werden, um das Regel-IC während der Einschaltphase mit Strom zu versorgen.

In traditionellen isolierten Sperrwandlern für hohe Spannungen erfolgt die genaue Regelung mithilfe von Optokopplern. Diese übertragen die Regelungsinformationen von den sekundärseitigen Referenzschaltungen an die Primärseite. Problematisch hieran ist, dass Optokoppler die Komplexität isolierter Designs erheblich erhöhen. Signallaufzeiten, Alterungseffekte und schwankende Verstärkungen verkomplizieren die Kompensation der Regelschleife und können die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Hinzu kommt, dass beim Einschalten entweder ein Bleeder-Widerstand oder eine Hochspannungs-Anlaufschaltung benötigt wird, um das IC zunächst mit Strom zu versorgen. Unterlässt man es, die Anlaufschaltung durch einen zusätzlichen Hochspannungs-MOSFET zu ergänzen, entstehen im Bleeder-Widerstand unerwünschte Verluste.

Der Baustein LT8315 ist ein Hochspannungs-Sperrwandler mit einem integrierten, für 630 V und 300 mA ausgelegten Schalter. Der Baustein kommt ohne Optokoppler aus und benötigt ebenfalls keine komplizierten sekundärseitigen Referenzschaltungen sowie zusätzliche Einschalt-Bauteile. Auch ein externer Hochspannungs-MOSFET ist nicht erforderlich.

Leistungsfähigkeit und Einfachheit

Der LT8315 fasst einen 630-V-MOSFET und Regelungsschaltungen in einem thermisch optimierten TSSOP-20-Gehäuse zusammen, bei dem vier Pins weggelassen wurden, um die nötigen Abstände für die hohe Spannung zu schaffen. Da die isolierte Ausgangsspannung von der dritten Wicklung abgegriffen wird, ist kein Optokoppler für die Regelung erforderlich. Die Programmierung der Ausgangsspannung erfolgt mit zwei externen Widerständen sowie einem optionalen dritten Temperaturkompensations-Widerstand.

Der Betrieb im Boundary-Modus trägt zu den ausgezeichneten Lastregeleigenschaften bei. Da die Abtastung der Ausgangsspannung erfolgt, wenn der Sekundärstrom nahezu null ist, werden keine zusätzlichen Lastkompensations-Widerstände und -Kondensatoren benötigt. Die Lösung auf Basis des LT8315 zeichnet sich deshalb durch einen geringen Bauteileaufwand aus, was das Design eines isolierten Sperrwandlers deutlich einfacher macht.

In Bild 1 ist das komplette Schaltbild eines Sperrwandlers mit einem großen Eingangsspannungsbereich von 20 V bis 450 V dargestellt. Die Ausgangsspannung beträgt 12 V, und die Regelung ist über einen Laststrombereich von 5 mA bis über 440 mA sehr genau. Der mögliche Ausgangsstrom nimmt mit der Eingangsspannung zu: bei Eingangsspannungen über 250 V kann er bis auf 440 mA ansteigen. Der maximale Wirkungsgrad des Sperrwandlers beträgt 85 %. Wie aus Bild 2 zu entnehmen ist, wird auch ohne Optokoppler eine sehr genaue Netz- und Lastregelung erzielt.

Eingebauter Verarmungs-MOSFET für die Einschaltphase

Der LT8315 enthält einen eingebauten Verarmungs-MOSFET mit negativer Schwellenspannung, der normalerweise eingeschaltet ist. Während der Einschaltphase lädt dieser MOSFET den Kondensator INTVCC auf 12 V auf. Der LT8315 wird dadurch mit Strom versorgt, sodass er zu schalten beginnen kann. Somit werden weder ein externer Bleeder-Widerstand noch andere Bauelemente speziell für den Einschaltvorgang benötigt. Sobald INTVCC aufgeladen ist, sperrt der Verarmungs-MOSFET, um die Verluste zu reduzieren.

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