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Wenn dem Flyback-Wandler die Luft ausgeht

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Sperrwandler sind sehr beliebt – doch es gibt praktische Grenzen dieser Technik. Wir zeigen, worauf beim Einsatz zu achten ist und welche Alternative sich anbietet.

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Bild 1: Aufbau eines typischen Flyback-Reglers (Sperrwandler) für Leistungen bis ca. 60 W.
Bild 1: Aufbau eines typischen Flyback-Reglers (Sperrwandler) für Leistungen bis ca. 60 W.
(Bild: Analog Devices)

In vielen Anwendungen werden galvanisch getrennte Stromversorgungen eingesetzt. Dies hat unterschiedliche Gründe. Bei manchen Schaltungen ist aus sicherheitstechnischen Überlegungen eine galvanische Trennung nötig. Bei anderen Geräten wird eine funktionale Isolation eingesetzt, um eventuelle Störsignale abzublocken.

Der Aufbau einer galvanisch getrennten Stromversorgung erfolgt in den meisten Fällen mit einem Sperrwandler, auch Flyback-Regler genannt. Solche Regler sind echt einfachen aufgebaut. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau eines solchen Reglers mit einem ADP1071 Flyback Controller. Man erkennt, dass es sich um einen Sperrwandler handelt, daran, dass die Punkte am Transformator gegensätzlich platziert sind.

Es wird ein Leistungsschalter Q1 auf der Primärseite benötigt sowie eine Gleichrichterschaltung auf der Sekundärseite. Diese kann mit einer Schottky Diode ausgeführt sein, für höhere Effizienz wird hier jedoch gerne ein aktiver Schalter, Q2 in Bild 1, verwendet. Der entsprechende Controller ADP1071 kümmert sich um die Ansteuerung der Schalter, sowie um die galvanische Trennung des Rückkoppelpfades FB.

Obwohl Sperrwandler sehr beliebt sind, gibt es praktische Grenzen dieser Topologie. Der Transformator T1 in Bild 1 wird eigentlich gar nicht als klassischer Transformator verwendet. Während der Einschaltzeit von Q1, fließt durch die sekundärseitige Wicklung von T1 kein Strom. Die Energie des primärseitigen Stromes wird fast komplett im Transformatorkern gespeichert.

Ähnlich wie ein Abwärtswandler (Buck-Regler) Energie in einer Speicherdrossel ansammelt, passiert dies bei einem Sperrwandler im Transformator. Während der Abschaltzeit von Q1 fließt ein Strom auf der Sekundärseite von T1. Dieser versorgt den Ausgangskondensator Cout sowie den Ausgang mit Energie. Dieses Konzept ist recht einfach zu implementieren, stößt jedoch bei höheren Leistungen an natürliche Grenzen.

Der Transformator T1 wird als Energiespeicher genutzt. Deshalb kann der Transformator auch als gekoppelte Speicherdrossel bezeichnet werden. Dazu muss der Transformator in der Lage sein, die benötigte Energie zu speichern. Je höher die Energieklasse der Stromversorgung, desto größer und teurer wird der Transformator. In den meisten Anwendungen ist bei ca. 60 W Schluss.

Wird eine galvanisch getrennte Spannungsversorgung für höhere Leistungen benötigt, bietet sich ein Flusswandler (Forward Converter) an. Das Konzept ist in Bild 2 gezeigt. Hier wird der Transformator tatsächlich als klassischer Transformator verwendet. Während auf der Primärseite Strom durch Q1 fließt, bildet sich auf der Sekundärseite ebenfalls ein Stromfluss aus.

Somit muss der Transformator keine besondere Energiespeicherfähigkeit besitzen. Sogar das Gegenteil ist der Fall. Es muss sichergestellt werden, dass der Transformator während der Ausschaltzeit von Q1 immer entladen wird, damit er nicht ungewollt nach einigen Zyklen in die Sättigung gerät.

Bild 2: Schematische Darstellung eines Forward Reglers (Flusswandler) für Leistungen bis ca. 200 W.
Bild 2: Schematische Darstellung eines Forward Reglers (Flusswandler) für Leistungen bis ca. 200 W.
(Bild: Analog Devices)

Ein Flusswandler benötigt im Vergleich zu einem Sperrwandler bei gleicher Leistung nur einen kleineren Transformator. Dadurch ist der Flusswandler auch bei höheren Leistungen als typischerweise 60 W vernünftig einsetzbar. Nachteilig ist, dass man den Transformatorkern in jedem Zyklus von unabsichtlich gespeicherter Energie befreien muss. Das wird in Bild 3 durch eine ‚Active Clamp‘-Beschaltung mit dem Schalter Q4 und Kapazität Cc realisiert. Auch benötigt ein Flusswandler üblicherweise eine ausgangsseitige zusätzliche Induktivität L1. Dadurch weist die Ausgangsspannung aber bei gleicher Leistung eine geringere Welligkeit auf als ein Sperrwandler.

Bild 3: Beispielschaltung mit einem ADP1074, in LTspice simuliert.
Bild 3: Beispielschaltung mit einem ADP1074, in LTspice simuliert.
(Bild: Analog Devices)

Fazit: Bausteine, wie der ADP1074, bieten eine sehr kompakte Lösung für den Entwurf eines Flusswandlers. Diese Architektur wird üblicherweise bei höheren benötigten Leistungen als ca. 60 W verwendet. Auch unterhalb von ca. 60 W könnte ein Flusswandler vom Schaltungsaufwand sowie von den erreichbaren Effizienzen bereits die bessere Wahl im Vergleich zu einem Sperrwandler darstellen. Eine Simulation mit dem kostenfreien Schaltungssimulator LTspice hilft bei der Wahl der besten Topologie.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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