Power-Tipp Regeleigenschaften für PSR-Sperrwandler verbessern

Autor / Redakteur: Timothy Hegarty * / Kristin Rinortner

Sperrwandler dienen der Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite bei galvanisch getrennten Gleichspannungswandlern. Sperrwandler mit primärseitiger Regelung (PSR) lassen sich ohne großen Aufwand entwickeln. In diesem Power-Tipp zeigen wir Ihnen, wie das geht.

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Bild 1: PSR-Sperrwandler mit zwei alternativen Ausgangs-Konfigurationen: Blau ein konventioneller Ausgang, rot die zusammengesetzte (stacked) Variante.
Bild 1: PSR-Sperrwandler mit zwei alternativen Ausgangs-Konfigurationen: Blau ein konventioneller Ausgang, rot die zusammengesetzte (stacked) Variante.
(Bild: TI)

Sperrwandler finden sich in primärgetakteten Schaltnetzteilen kleiner Leistung (kleiner 250 W, auch als separate Standby-Versorgung in größeren und PC-Netzteilen), in Spannungswandlern in elektronischen Geräten usw. Die Hochspannungserzeugung in Blitzgeräten und für Bildröhren von Fernsehgeräten, weiterhin auch die Erzeugung des Zündfunkens in Automobilen, sind Beispiele dafür.

Sperrwandler mit primärseitiger Regelung (Primary-Side Regulation, PSR) und mehreren Ausgängen empfehlen sich dank ihrer Zuverlässigkeit und Einfachheit für viele Anwendungsfälle. Da nur der Leistungsübertrager die Isolationsbarriere überquert, wird für die Regelung weder ein Optokoppler noch eine Hilfswicklung, ein Signalübertrager oder eine externe Referenz benötigt. Ein positiver Aspekt ist außerdem der geringe Gesamt-Bauteileaufwand, besonders dann, wenn mehrere isolierte Ausgänge erforderlich sind.

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Einfacher PSR-Sperrwandler

Ohne großen Aufwand lassen sich PSR-Sperrwandler für mehrere Ausgänge und mit flexibler sekundärseitiger Konfiguration entwickeln, unter anderem mit bipolaren Ausgängen von beispielsweise ±12 V oder +15 V/-8 V, oder auch mit zwei positiven Ausgängen (z.B. 3,3 V/12 V oder 5 V/12 V). Die Ausgänge sind die entweder mit gemeinsamer Masse oder als unabhängige Ausgänge mit unterschiedlichen Massepotenzialen realisiert.

Dazu ein Beispiel. Der auf dem LM5180 basierende PSR-Sperrwandler in Bild 1 stellt mit der linken, sekundärseitigen Schaltung (blau umrandet) Ausgangsspannungen von 24 V (UOUT1) und 5 V (UOUT2) bereit. Die rechte, rot umrandete Ausgangsschaltung dagegen basiert auf dem Stacked-Output-Prinzip, wobei die obere Sekundärwicklung eine Spannung von 19 V liefert, die sich zu den 5 V des unteren Ausgangs addiert. Die Windungsverhältnisse sind jeweils angegeben.

Durch Erfassen der Kniepunktspannung zum richtigen Zeitpunkt lässt sich eine sehr genaue Regelung der Ausgangsspannung unter dem Einfluss von Netz-, Last- und Temperaturschwankungen erreichen. Allerdings ist die Entmagnetisierungszeit bei mehreren Ausgängen nicht eindeutig definiert, denn jede Wicklung hat ihr eigenes Entmagnetisierungs-Intervall, und die Spannung wird am Ende der letzten Entmagnetisierung erfasst.

PSR-Wandler mit Stacked Winding: Die Vorteile des Prinzips

Die Stacked-Winding-Variante kommt mit weniger Windungen aus, ihre Streuinduktivität ist geringer, und die für die Kreuzregelung wichtige Kopplung von einer Sekundärwicklung zur anderen ist genauer. Da überdies der negative Spannungsausschlag an der Flyback-Diode geringer ist, werden die Gleichtakt-Störgrößen eingedämmt, und die beim Einschalten des Schalters an die Primärseite reflektierte, kapazitiv bedingte Stromspitze wird gemildert.

Die Streuinduktivität sowohl zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung als auch zwischen den Sekundärwicklungen lässt sich mit verschiedenen Maßnahmen minimieren. Zunächst sollte die Primärwicklung (bzw. die Wicklung mit der höchsten Windungszahl) verschachtelt gewickelt werden. Außerdem sollten komplette Lagen bewickelt werden, um die Kopplung von Lage zu Lage zu optimieren (Auffüllen der Lagen mit Litzen).

Der Kern sollte ferner einen breiten Spulenkörper aufweisen, um mit möglichst wenig Lagen auszukommen. Die Streuinduktivität zwischen den Sekundärwicklungen lässt sich reduzieren, indem man die Wicklungen bifilar oder multifilar auf derselben Lage wickelt und Sekundärwicklungen mit niedrigen Strömen zwischen Lagen von Sekundärwicklungen mit hohen Strömen anordnet.

Bild 2 zeigt den Querschnitt durch einen Übertrager für das Design in Bild 1. Die Primärwicklung ist im Verhältnis 50:50 aufgeteilt, und die Sekundärwicklungen sind bifilar gewickelt.

Mit einem speziellen Rechen-Tool lässt sich die Auswahl und Optimierung der Übertrager-Windungsverhältnisse, der Magnetisierungs-Induktivität und der Wicklungs­widerstände vereinfachen.

* Timothy Hegarty arbeitet als Applikationsingenieur im Geschäftsbereich „Buck Switching Regulators“ bei Texas Instruments in Phoenix / USA.

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