Offline-Sperrwandler-IC-Serie mit 94% Wirkungsgrad

Autor / Redakteur: Chris Lee * / Gerd Kucera

25% geringerer Leistungsverlust charakterisiert die Power-Wandler InnoSwitch3 mit den Schaltregler-Familien CE, CP und EP. Einsatzziel: kühlkörperlose Stromversorgungen mit Ausgangsleistungen bis 65 W.

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Bild 1: Die Sicherheit der InnoSwitch3-ICs hinsichtlich Kommunikation über die Isolationsbarriere hinweg ist nach CCC, UL und VDE zertifiziert.
Bild 1: Die Sicherheit der InnoSwitch3-ICs hinsichtlich Kommunikation über die Isolationsbarriere hinweg ist nach CCC, UL und VDE zertifiziert.
(Bild: Power Integrations)

Als Fortsetzung der bisherigen, bewährten InnoSwitch-Bausteinreihe entwickelte Power Integrations eine neue Familie von galvanisch getrennten Sperrwandler-ICs mit einem Wirkungsgrad bis 94%. Sie erzielen dadurch im Vergleich zu den besten herkömmlichen Designs deutliche Energieeinsparungen und produzieren 25% weniger Verlustwärme.

Diese InnoSwitch3-ICs kombinieren primär- und sekundärseitige Controller, einen integrierten primären Hochspannungsschalter, Synchrongleichrichter-Treiber und die FluxLink-Technologie für verbesserte Kommunikation innerhalb des Regelkreises (Bild 2).

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Die Tabelle 1 zeigt die Wirkungsgradsteigerung und deren Auswirkungen auf wichtige Kenngrößen eines Energiewandlers: Wärmeproduktion, Flächenbedarf und thermisch begrenztes Volumen.

Stark reduzierte Verlustwärme macht Kühlkörper überflüssig

Der auch im Vergleich zu den besten herkömmlichen Designs deutlich höhere Wirkungsgrad ermöglicht Verbesserungen im Schaltungsentwurf. Die geringere Wärmeproduktion gestattet eine drastische Verkleinerung der Abmessungen und macht Kühlkörper überflüssig.

Obwohl die durch den höheren Wirkungsgrad erzielte Platzersparnis wegen mechanischer Beschränkungen (Bauteilgröße) vielleicht nicht immer voll ausgenutzt werden kann, so vereinfacht der Effizienzgewinn doch das Design hochkompakter Wandler. Andererseits kann man auch auf den potenziellen Effizienzgewinn verzichten und stattdessen kleinere magnetische Bauteile oder preisgünstigere SR-MOSFETs einsetzen und so die Systemkosten verringern.

InnoSwitch3-ICs arbeiten mit einem besonderen Schaltalgorithmus, der Designs zulässt, die über ihren gesamten Eingangsspannungsbereich (typisch 90 bis 264 VAC) einen konstant hohen Wirkungsgrad aufweisen (Bild 3).

Der gleiche Schaltalgorithmus gewährleistet auch einen nahezu konstanten Wirkungsgrad über den gesamten Bereich von Leicht- bis Volllast. Dadurch eignen sich InnoSwitch3-ICs für Anwendungen, für die einen geringeren mittleren Energieverbrauch vorgeschrieben sind, beispielsweise nach den Standards US DoE6 und EU CoC V5. Diese ICs bieten eine einfach zu implementierende Lösung zur Minimierung des Stromverbrauchs in allen Betriebszuständen – von Standby bis Volllast.

Ein konstant hoher Wirkungsgrad

Die für galvanisch getrennte Sperrwandler vorgesehenen ICs der Familie InnoSwitch3 arbeiten mit einem sekundärseitigen Quasi-Resonanz-Controller(QR), der sowohl die Synchrongleichrichter als auch den primärseitigen Controller steuert.

Der sekundärseitige Controller verwendet einen proprietären Schaltalgorithmus, der einen über den gesamten Lastbereich konstant hohen Wirkungsgrad gewährleistet. QR- oder Valley-Schalten zwingt den integrierten, primärseitigen MOSFET dazu, zum Zeitpunkt des Minimums der Schaltspannung während des DCM-Zyklus einzuschalten. Das verringert sowohl die Schaltverluste als auch die Störstrahlung deutlich.

InnoSwitch3-ICs nutzen außerdem FluxLink, eine proprietäre Technologie von Power Integrations für magneto-induktive, galvanisch getrennte Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen dem primärseitigen (Hochspannungs-) und dem sekundärseitigen (Niederspannungs-) Controller.

Synchrongleichrichtung ermöglicht zwar höhere Wirkungsgrade, erfordert andererseits eine genaue Steuerung des Timings der sekundär- und primärseitig schaltenden MOSFETs, um zu verhindern, dass die MOSFETs gleichzeitig durchschalten und dadurch eventuell zerstört werden.

Eine hochgenaue Steuerung der primär- und sekundärseitigen Schalter übernimmt der FluxLink-Kommunikationskanal. Das maximiert den Wirkungsgrad und gewährleistet sicheres Schalten sowohl im kontinuierlichen als auch im diskontinuierlichen Betrieb. Die Maximierung der On-Zeit des Synchrongleichrichters eliminiert die Diodenleitung und verbessert den Wirkungsgrad.

Außerdem macht die FluxLink-Kommunikation einen Optokoppler entbehrlich, verbessert indes die Sprung-Antwort, erhöht die Systemzuverlässigkeit und verringert die Anzahl der zusätzlich benötigten Bauteile.

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