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.

Einfach zu verwenden, dennoch flexibel

Bild 4: Überblick über die Vor- und Nachteile zwischen primärseitiger und sekundärseitiger Steuerung bei galvanisch getrennten Stromversorgungen
Bild 4: Überblick über die Vor- und Nachteile zwischen primärseitiger und sekundärseitiger Steuerung bei galvanisch getrennten Stromversorgungen
(Bild: ADI)
Obwohl der ADuM3190 aus Bild 3 viele diskrete Bausteine bei einem herkömmlichen Entwurf mit Optokopplern ersetzt, ist die neue Lösung sehr flexibel. Zwei wichtige Leitungspunkte werden aus dem Gehäuse herausgeführt. Zum einen der Knoten zwischen Fehlerverstärker und galvanischer Trennung und zum anderen der positive Eingang des Fehlerverstärkers und der Ausgang der integrierten 1,225-V-Referenz. Am Ausgang des Fehlerverstärkers (comp Pin) lassen sich Bauteile zum Kompensieren der Regelschleife anschließen.

Bild 5: DOSA konforme Konfiguration zum Trimmen der Ausgangsspannung
Bild 5: DOSA konforme Konfiguration zum Trimmen der Ausgangsspannung
(Bild: ADI)
Die herausgeführte Referenzspannung lässt sich einfach durch einen Widerstandsteiler in eine geringere Ausgangsspannung als 1,225 V wandeln. Sie ist günstig, um die Genauigkeit der Ausgangsspannung nach den Regeln der DOSA (Distributed-power Open Standards Alliance) zu erhöhen. Bild 5 zeigt eine entsprechende Schaltung.

Die Widerstände Rtrim1 und Rtrim2 sind optional. Mit ihnen kann die DC-Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung erhöht werden.

Der primärseitige Schaltregler kann auf unterschiedliche Weise angeschlossen werden. Entweder es wird EAout verwendet. Dieser Ausgang kann ±3 mA treiben und erzeugt Spannungen zwischen 0,4 und 2,4 V. Diese Spannungen werden typischerweise zum Ansteuern eines Schaltreglers verwendet.

Anwendungen mit höherer Ausgangsspannung

Für Anwendungen, in denen eine höhere Ausgangsspannung benötigt wird, kann EAout2 verwendet werden. Der Ausgang treibt ±1 mA bei einer Spannung von 0,6 bis 4,8 V. Er wird verwendet, wenn ein Ausgang getrieben wird, der beispielsweise mit einem Pull-Up Widerstand mit einer Spannung von 5 V versorgt wird. Auch andere Architekturen sind möglich. Wenn beispielsweise EAout2 mit einem Pull-Up Widerstand an eine Versorgung von 10 bis 20 V angeschlossen wird, liegt der minimale Ausgangswert bei 5 V. Dies ermöglicht das Ansteuern von Schaltreglern, die eine minimale Spannung von 5 V am Regeleingang (Kompensationspin) benötigen.

Zusätzlich zu dem bereits erwähnten ADuM3190, der für eine Isolation von 2,5 kV konzipiert wurde, wird der ADuM4190 angeboten, der mit einer verstärkten Isolation für 5 kV ausgelegt ist.

Neben dem Einsatz als isolierter Fehlerverstärker kann der ADuM3190 auch eingesetzt werden, um andere analoge Signale bis zu einer Geschwindigkeit von 400 kHz über eine galvanische Trennung zu transferieren. Dies wird beispielsweise zum Übertragen von Zustandswerten bei Motorsteuerungen genutzt.

Genauigkeit und Funktionen einfach prüfen

Bild 6: Evaluierungsboard des ADuM3190
Bild 6: Evaluierungsboard des ADuM3190
(Bild: ADI)
Bild 6 zeigt ein verfügbares Evaluierungsboard des ADuM3190. Es kann verwendet werden, um die Funktion des Bausteines zu testen. Hierbei kann die Genauigkeit des Operationsverstärkers geprüft werden. Es handelt sich um eine viellagige Platine mit separat ausgeführten Masse und Spannungslagen.

Da es sich sowohl bei den Eingängen als auch bei den Ausgängen des isolierten Fehlerverstärkers um Leitungen mit hoher Impedanz handelt, ist es ratsam, den ADuM3190 für einen Funktionstest in einer bestehenden Stromversorgung direkt auf die Platine der Stromversorgung zu setzen. Beim Anschluss des Evaluierungsboards an eine Stromversorgung über Laborleitungen führt das Einkoppeln von Schaltrauschen in die Regelschleife leicht zu Störungen. Zum generellen Funktionstest ist das Evaluierungsboard aber eine große Hilfe.

* Frederik Dostal ist bei Analog Devices im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

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