Stromversorgung Monolithischer Flyback-Wandler ohne Opto-Koppler ist eine vielseitige Lösung

Autor / Redakteur: George Qian* / Kristin Rinortner

Wir stellen eine Lösung vor, die die Entwicklung eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers vereinfacht. Die isolierte Ausgangsspannung wird direkt am Flyback-Signal auf der Primärseite abgetastet. Für die Regelung sind eine dritte Wicklung oder ein Opto-Koppler nicht erforderlich.

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Bild 1: Vollständiger, galvanisch getrennter 5-V-Flyback-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,8 V bis 42 V
Bild 1: Vollständiger, galvanisch getrennter 5-V-Flyback-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,8 V bis 42 V
(Linear Technology)

Traditionell verwendeten galvanisch getrennte Stromversorgungen einen Opto-Koppler in der Rückkoppelschleife, um die Regelinformationen über die Potenzialgrenze hinweg zu übertragen. Unglücklicherweise variiert die Verstärkungscharakteristik eines Opto-Kopplers sehr stark mit der Temperatur und Lebensdauer, was die Schwierigkeiten der Schleifenkompensation einer Stromversorgung erhöht.

Die Produktlinie der Flyback-Wandler ohne Opto-Koppler von Linear Technology, wie der LT3573, LT3574, LT3575, LT3511, LT3512 und LT8300, vereinfachen das Flyback-Design, da sie ein spezielles Messverfahren auf der Primärseite beinhalten und damit die Notwendigkeit für einen Opto-Koppler eliminieren.

Der monolithische Flyback-Wandler ohne Opto-Koppler LT8302 besitzt einen integrierten 65-V-/3,6-A-DMOS-Leistungsschalter mit interner Schleifenkompensation und Soft-Start. Der Chip kann mit Eingangsspannungen zwischen 2,8 und 42 V arbeiten und liefert eine Ausgangsleistung bis zu 18 W.

Bei geringer Last hat er einen Burst-Modus mit geringer Welligkeit der Ausgangsspannung, was zu geringen Leistungsverlusten im Standby-Modus und geringer benötigter externer Komponentenanzahl führt.

Leistungsfähigkeit und einfacher Einsatz

Der Baustein vereinfacht die Entwicklung eines galvanisch getrennten Flyback-Wandlers, indem er die isolierte Ausgangsspannung direkt am Flyback-Signal auf der Primärseite abtastet.

Diese Lösung erfordert für die Regelung keine dritte Wicklung oder einen Opto-Koppler. Die Ausgangsspannung wird über zwei externe Transistoren und einen optionalen temperaturkompensierten Widerstand programmiert.

Durch das Integrieren der Schleifenkompensation und dem Soft-Start minimiert der Baustein die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten, wie in Bild 1 dargestellt. Die Betriebsart Boundary-Modus erlaubt den Einsatz von Trafos moderater Größe unter Beibehaltung einer exzellenten Lastregelung.

Der Betrieb im Burst-Modus mit geringer Ausgangspannungswelligkeit resultiert in einem hohen Wirkungsgrad bei geringen Lasten, wobei gleichzeitig die Welligkeit der Ausgangsspannung minimiert wird.

Bildergalerie

Bild 1 zeigt eine komplette Flyback-Schaltung mit dem LT8302. Der Wandler offeriert einen Wirkungsgrad bis zu 85%, wie in Bild 2 dargestellt. Aufgrund des geringen Ruhestroms mit einem Verbraucher von 10 mA und einer Eingangsspannung von 5 V liegt der Wirkungsgrad bei 82%.

Geringer IQ, geringe Vorlast und hoher Wirkungsgrad

Bei sehr kleinen Lasten reduziert der Chip die Schaltfrequenz und behält gleichzeitig die minimale Strombegrenzung bei. Unter diesen Bedingungen geht er in den Burst-Modus mit geringer Welligkeit der Ausgangsspannung über, in dem der Baustein zwischen Schlaf- und Schalt-Modus hin und her schaltet. Der typische Ruhestrom liegt bei 106 µA im Schlaf- und 380 µA im Schalt-Modus, was den effektiven Ruhestrom weiter reduziert.

Die minimale Schaltfrequenz liegt etwa bei 12 kHz, wobei die Schaltung eine sehr kleine Vorlast benötigt (typisch 0,5% der Volllast). Deshalb sind die Leistungsverluste im Standby-Modus sehr gering – eine Voraussetzung für Applikationen, die einen hohen Wirkungsgrad bei ständig eingeschalteten Systemen erfordern.

Stromversorgungen mit negativer Eingangsspannung

In einer typischen Stromversorgung mit negativer Eingangsspannung ist der Masse-Pin des ICs mit dem negativen Eingangspegel, einer variierenden Spannung, verbunden ist. Als Ergebnis ändert sich seine Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung, vorausgesetzt dass keine Pegel anhebende Schaltung eingesetzt wird.

Das besondere Rückkoppel-Messverfahren des Bausteins kann direkt über die Signalform der Schaltknotenspannung eine geregelte Ausgangsspannung kreieren, was die Pegel anhebende Schaltung eliminiert, die sonst nötig wäre.

Bild 3 zeigt einen einfachen Auf-/Abwärtswandler mit negativer Eingangs- und positiver Ausgangsspannung. Bild 4 stellt einen einfachen Abwärtswandler mit negativer Ein- und Ausgangsspannung dar.

Fazit und Anwendungen

Der LT8302 arbeitet über einen Eingangsspannungsbereich von 2,8 bis 42 V und liefert bis zu 18 W galvanisch getrennte Ausgangsleistung, ohne dritte Wicklung oder einen Opto-Koppler. Er beinhaltet eine ganze Reihe Funktionen, die die Komponentenanzahl minimieren, wie der Betrieb im Burst-Modus mit sehr geringer Welligkeit der Ausgangsspannung; internem Soft-Start, Unterspannungssperrfunktion, Temperaturkompensation und interner Kompensation der Rückkoppelschleife.

Der LT8302 eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, angefangen bei batteriebetriebenen Systemen, über Stromversorgungen im Automobil, in der Industrie, in der Medizintechnik und Telekommunikation sowie galvanisch getrennten Hilfs-/Betriebsstromversorgungen.

Der hohe Integrationsgrad resultiert in einfacher Anwendbarkeit, geringer externer Komponentenanzahl, hohem Wirkungsgrad und einer vielseitigen Lösung zur Bereitstellung von galvanisch getrennter Stromversorgungsleistung.

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* George Qian ist Senior Applications Engineer bei Linear Technology Corporation in Milpitas, USA.

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