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.

Kein Überschwingen, kein nachgeschalteter Linearregler

Der hochentwickelte Regelungsalgorithmus und die hohe Übertragungsgeschwindigkeit der FluxLink-Kommunikationsverbindung gewährleisten ein hervorragendes Transientenverhalten; bei einer sprunghaften Laständerung von 0 auf 100% treten so gut wie keine Vor- und Überschwinger auf (siehe Bild 4 Transientenverhalten).

Die hohe Regelungsgenauigkeit des Synchrongleichrichters verbessert nicht nur den Wirkungsgrad, sondern gewährleistet auch eine hervorragende Cross-Regelung über mehrere Ausgänge hinweg. Dadurch kann in vielen Anwendungen auf nachgeschaltete Linearregler verzichtet werden.

Die InnoSwitch-3-ICs bieten unter allen Betriebsbedingungen eine Genauigkeit der Ausgangsspannung von besser als ±3% und gewährleisten auch im Konstantstrombetrieb eine hohe Regelgenauigkeit.

InnoSwitch3-ICs bieten zahlreiche Sicherheitsfunktionen und sind gegen Eingangsüberspannung (OV), Eingangsunterspannung (UV), Ausgangsüberspannung, Überstrom, Überleistung und Kurzschluss geschützt. Außerdem schützt der InnoSwitch3-Controller vor Leerlauf- oder Kurzschluss im SR-MOSFET und vor Übertemperatur.

Über den V-(Voltage)-Pin überwacht der Controller die Eingangsspannung auf Grenzwertüber- oder Grenzwertunterschreitung (OV bzw. UV). Das dabei angewandte Multiplexer-Messverfahren begnügt sich mit einer Leistungsaufnahme von nur 2 mW (im Leerlauf).

Das trägt zu der sehr geringen Leerlauf-Leistungsaufnahme von weniger als 15 mW bei – auch bei aktiver Eingangsspannungsüberwachung.

Eine Luft- und Kriechstrecke von mehr als 11 mm

Für die InnoSwitch3-Familie hat Power Integrations ein neues, halogenfreie Gehäuse InSOP-24(C) entwickelt, das nur 1,5 mm hoch ist und über der Isolationsbarriere der Leiterplatte positioniert wird. Die niedrige Bauhöhe ermöglicht es, den IC beispielsweise unter einem Transformator zu montieren und dadurch Platz zu sparen. Das InSOP-Gehäuse bietet in Verbindung mit FluxLink eine Luft- und Kriechstrecke von mehr als 11 mm.

Dies gewährleistet eine verstärkte Isolation von >6 kVAC, die selbst dem strengen chinesischen Standard CQC 5000 m genügt. Alle InnoSwitch3-ICs erfüllen alle Sicherheitsvorschriften für Isolationsbarriere-überschreitende Bauteile und werden in der Serienproduktion 100%ig auf deren Einhaltung getestet.

Um den unterschiedlichen Anforderungen von Konsum-, Industrie- und USB-Lader-Anwendungen gerecht zu werden, wurden die InnoSwitch3-ICs in drei Produktfamilien unterteilt. Innerhalb dieser Familien stehen Versionen mit unterschiedlich dimensionierten primärschaltenden MOSFETs zur Auswahl, die jeweils unterschiedliche Ausgangsleistungsbereiche abdecken. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die InnoSwitch3-Produktfamilien.

Die Einsatzbereiche der Serien CE, CP und EP

Die Familie InnoSwitch3-CE ist für kostensensitive Konsumelektronik-Anwendungen vorgesehen, die eine konstante Ausgangsspannung oder einen konstanten Ausgangsstrom erfordern. Zur Auswahl stehen Versionen, die im Fehlerfall einen automatischen Neustart versuchen oder sich dauerhaft abschalten, außerdem Versionen mit oder ohne Kompensation des Spannungsabfalls über die Lastzuleitung (Cable-Drop Compensation, CDC).

Die CE-Familie enthält einen 650-V-Leistungs-MOSFET, der den Anforderungen kostensensitiver Anwendungen wie z.B. Netzadapter genügt.

InnoSwitch3-CP wurde für Schnellladegeräte-, USB-PD-, Mobiltelefon-, Tablet-, Notebook- und Elektrowerkzeug-Ladegeräte-Anwendungen optimiert, die eine variable oder konstante Ausgangsspannung/Ausgangsleistung erfordern. Zur Auswahl stehen Versionen, die im Fehlerfall einen automatischen Neustart versuchen oder sich dauerhaft abschalten, außerdem solche mit oder ohne Kompensation des Spannungsabfalls auf der Lastzuleitung und solche mit 650-V- oder 725-V-Leistungs-MOSFET.

Schließlich sind InnoSwitch3-EP-ICs auf industrielle Anwendungen abgestimmt, beispielsweise für Stromzähler, Smart-Grid, Energieverbrauchsmessung, Solar-Wechselrichter, smarte Beleuchtungssysteme und Server-Notstromversorgungen. Diese ICs enthalten einen 725-V-MOSFET, sind für eine konstante, hochgenaue Ausgangsspannung ausgelegt und bieten umfassende Schutzfunktionen.

Zahlreiche Optionen und Online-Auswahlhilfe

Für Hochzuverlässigkeitsanwendungen in anspruchsvollen Einsatzumgebungen, die eine erhöhte Überspannungsfestigkeit erfordern, ist eine 725-V-Leistungs-MOSFET-Option sowohl für InnoSwitch3-CP- und InnoSwitch3-EP-Versionen verfügbar. Unternehmen, die ihre Produkte für weltweite Abnehmermärkte produzieren, wird versichert, dass 725-V-InnoSwitch3-ICs auch in Regionen mit instabilen Stromnetzen zuverlässig funktionieren. Für die InnoSwitch3-Familien mit ihren zahlreichen Optionen gibt es eine Online-Auswahlhilfe, das Online-BYOI-Tool.

* Chris Lee ist Senior Product Marketing Manager bei Power Integrations, San Jose/Kalifornien.

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