Power Management Revolution bei galvanisch getrennten Stromversorgungen

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Der Einsatz von galvanisch getrennten Fehlerverstärkern anstelle von Optokopplern verspricht Vorteile wie höhere Zuverlässigkeit und Umgebungstemperaturen sowie weniger Platzbedarf und Bauteile.

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Stromversorgungen: Stabile isolierte Fehlerverstärker bieten neue Freiheitsgrade beim Entwurf isolierter Stromversorgungen
Stromversorgungen: Stabile isolierte Fehlerverstärker bieten neue Freiheitsgrade beim Entwurf isolierter Stromversorgungen
(Bild: ADI)

Galvanisch getrennte Stromversorgungen werden nach unterschiedlichen Prinzipien aufgebaut. Es gibt beispielsweise Sperrwandler, Flusswandler und Brückentopologien, die je nach Anwendungsfall Vor- und Nachteile haben. Über die Jahre hinweg wurden unterschiedliche Optimierungen durchgeführt. Es wurden Topologien verfeinert wie beispielsweise Flusswandlerschaltungen mit aktiver Transformatorrücksetzung.

Das Hauptaugenmerk lag allerdings auf der Verbesserung der Komponenten. So wurden Planartransformatoren eingeführt, Keramikkondensatoren zur Filterung der Ausgangsspannung verwendet und speziell für höhere Leistungen gibt es moderne Treiberschaltungen und Schaltelemente wie MOSFETs und IGBTs, welche die Verluste minimieren und die Gesamteffizienz erhöhen.

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Ein wesentlicher Bereich bei galvanisch getrennten Stromversorgungen ist die Rückführung der Regelschleife zu einem primärseitigen Schaltregler. Hier erfolgte in den vergangenen Jahren im Prinzip keine Weiterentwicklung.

Zur galvanischen Trennung werden bis heute in der Regel Optokoppler eingesetzt, die zahlreiche Nachteile mit sich bringen. Trotzdem mussten Entwickler von Stromversorgungen diese Einschränkungen bisher wegen nicht vorhandener Alternativen akzeptieren und damit umgehen.

Neue Bauteile von Analog Devices können den Rückkoppelpfad über galvanische Trennungen ohne den Einsatz von Optokopplern führen. Dies hat großen Einfluss auf die Freiheiten beim Entwurf von Stromversorgungen. Systeme lassen sich bei höheren Temperaturen betreiben, die Regelschleife kann besser hinsichtlich Regelschleifenstabilität und Bandbreite ausgelegt werden und über die Lebensdauer bleibt die Regelschleife weiterhin berechenbar, was zu einer höheren Zuverlässigkeit führt.

Auch der Platzbedarf und die Anzahl der notwendigen Bauteile werden erheblich reduziert. Somit kann man durchaus von einer ‚Revolution‘ sprechen und nicht nur von einer Weiterentwicklung.

Bild 1 zeigt eine galvanisch getrennte Sperrwandlerschaltung. Die galvanische Trennung des Rückkoppelpfades ist auf die übliche Art mit einem Optokoppler ausgelegt. Optokoppler haben in Stromversorgungsschaltungen die folgenden Nachteile:

  • Optokoppler verändern ihre Eigenschaften mit der Zeit: Über die Betriebsjahre eines Optokopplers hinweg verändert sich das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (CTR, Current Transfer Ratio). Dies ist bei Stromversorgungen sehr unangenehm, da der Optokoppler ein Teil der Übertragungsfunktion der Regelschleife ist. Eine Veränderung der Übertragungsfunktion hat Einfluss auf die Bandbreite der Regelung sowie auf die Stabilität der Stromversorgung. Da verhindert werden soll, dass eine Stromversorgung mit der Zeit instabil wird, muss üblicherweise die Übertragungsfunktion der Regelschleife so eingestellt werden, dass auch bei einem alternden Optokoppler noch genügend Phasenreserve vorhanden ist. Dies geht mit einer reduzierten Bandbreite einher. Die Stromversorgungen reagieren also langsamer auf Eingangsspannungs- und Lasttransienten als nötig.
  • Optokoppler sind nicht für hohe Temperaturen ausgelegt: Hohe Temperaturen über 85°C verändern das Übertragungsverhalten von Optokopplern. Dies ist in einer Anwendung bereits beim Einlöten der Bauteile der Fall. Hinzu kommt die Tatsache, dass für Anwendungen, in denen die Umgebungstemperatur über 85°C liegen kann, Optokoppler nicht zugelassen sind. Gerade bei modernen, hochkompakten Stromversorgungen kann die Umgebungstemperatur lokal durchaus über diesen Wert steigen.
  • Eine Regelschleife mit Optokoppler benötigt noch weitere Bauteile: Neben dem eigentlichen optischen Übertrager (Optokoppler) sind noch eine sekundärseitige Referenz und ein Operationsverstärker notwendig. Diese Bauteile geben den ausgangsseitigen Referenzpunkt, um die Ausgangsspannung in Bezug zu diesem Punkt zu regeln.
  • Optokoppler sind langsam: Eine mit einem Optokoppler aufgebaute Stromversorgung hat üblicherweise eine maximale Bandbreite von 25 kHz. Diese limitierte Bandbreite verlangsamt die Reaktion auf Eingangsspannungs- und Lastveränderungen.
  • Schaltungen mit Optokopplern brauchen viel Strom: Dieser Nachteil ist, abhängig vom Einsatzgebiet der Stromversorgung, mehr oder weniger gravierend. Optokoppler haben häufig eine Verlustleistung von ca. 100 mW, wenn eine LED mit 20 mA bei einer Ansteuerspannung von 5 V eingesetzt wird. Je mehr Strom aufgewendet wird, desto besser ist das Übertragungsverhalten. Bei modernen Stromversorgungen ist häufig auch ein effizienter Betrieb im Niedriglastbetrieb wichtig, z.B. Standby-Schaltungen. Hierbei stört der Stromverbrauch von Optokopplern erheblich.

Zu der seit dem Jahr 2001 erhältlichen Familie der Icoupler gibt es nun isolierte Fehlerverstärker für die Regelschleife von primärseitig gesteuerten Stromversorgungen.

Galvanisch getrennte Regelschleifen ohne Optokoppler

Icoupler sind CMOS basierte, voll integrierte Schaltungen, die mittels einer Polyimid-Schicht eine Isolation bis 5 kV ermöglichen. Die Signale werden induktiv mithilfe von zwei integrierten Transformatorwicklungen übertragen. Diese Technologie hat sich bewährt; es sind bereits über 800 Millionen isolierte Kanäle im Einsatz.

Bild 2 zeigt den isolierten Fehlerverstärker ADuM3190, der für den Einsatz in Regelschleifen von Stromversorgungen konzipiert ist. Bei dieser Lösung fallen die Nachteile von Optokopplern weg. Die Bandbreite steigt im Vergleich zu Optokopplern etwa um den Faktor 10, was eine sehr schnelle Regelung bei Versorgungsspannungs- und Lasttransienten ermöglicht. Der ADuM3190 hat eine Bandbreite von 400 kHz. Die Effizienz der Stromversorgung wird erhöht, da die Versorgungsleistung nur ca. 35 mW beträgt, anstatt der typischen 100 mW mit Optokopplern.

Es werden weniger Bauteile benötigt, da neben der galvanischen Trennung auch Operationsverstärker sowie eine Präzisions-Spannungsreferenz integriert sind. Dies spiegelt sich in einem reduzierten Platzbedarf und hoher Zuverlässigkeit wieder. Die Bausteine sind für einen Umgebungstemperaturen bis 125°C (150°C auf dem Siliziumchip) spezifiziert. Dies führt zu einer höheren Leistungsdichte und höheren Freiheitsgraden bei der Entwicklung von Stromversorgungen. Generell gibt es bei Icouplern keine CTR-Alterungseffekte, was die Zuverlässigkeit stark erhöht.

Bild 3 zeigt den Baustein in einer primärseitig gesteuerten Sperrwandlerschaltung. Der Optokoppler sowie die sekundärseitige Referenz mit Fehlerverstärker werden mit einem Baustein ersetzt.

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