Videoüberwachungstechniken kommen heute an unterschiedlichsten Orten zum Einsatz und sorgen dort für mehr Sicherheit. Um eine vollständige Abdeckung der Videoüberwachung in vielen unterschiedlichen Installationen zu erhalten, können mehrere hundert Kameras nötig sein. Überwachungskameras arbeiten üblicherweise mit einer 24-VDC- oder 12-VDC-Versorgungspannung bei Leistungspegeln von bis zu 25 W. Diese 12-V- oder 24-V-Eingangspannung ist in den meisten Fällen nicht direkt verfügbar und muss entwickelt werden. Die meisten Installationen verfügen über eine Netzwechselspannung von nominal 110 VAC (90 bis 132 VAC) oder 220 VAC (180 bis 265 VAC). Darüber hinaus erfordert der Betrieb an einer Netzwechselspannung aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung des Ausgangs vom Eingang.
Flyback-Wandler sind in galvanisch getrennten DC/DC-Anwendungen seit vielen Jahren weit verbreitet, stellen aber nicht notwendigerweise die erste Wahl für Entwickler dar. Die Entwickler von Stromversorgungen wählen einen Flyback-Wandler nur deshalb, um eine kleine Leistung zu isolieren, und nicht, weil sie einfacher zu entwickeln wären.
Flyback-Wandler haben Stabilitätsprobleme wegen der wohl bekannten Null in der rechten Halbebene der Regelschleife, die von Laufzeitverzögerungen, Alterung und Verstärkungsvariationen eines Optokopplers weiter verkompliziert werden. Darüber hinaus erfordert ein Flyback-Wandler einen hohen Zeitaufwand, um einen für die jeweilige Applikation geeigneten Trafo zu entwickeln. Eine Aufgabe, die von der normalerweise limitierten Auswahl an handelsüblichen Trafos weiter erschwert wird. Denn man muss häufig einen kundenspezifischen Trafo entwickeln.
Flyback-Wandler-Design einfacher entwickeln
Mit dem isolierten Flyback-Controller LT3798 von Linear Technology lassen sich viele dieser Herausforderungen an die Entwicklung eines Flyback-Wandler-Designs beseitigen. Zunächst entfällt mit Einsatz dieses Controllers die Notwendigkeit für einen Optokoppler, einer Referenzspannung auf der Sekundärseite und einer separaten dritten Wicklung am Leistungstrafo – alles unter Beibehaltung der galvanischen Trennung zwischen der Primär- und Sekundärseite mit nur einem erforderlichen Bauteil über der Isolationsgrenze. Weiterer Vorteil des Bausteins ist, dass er eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) im Wandler enthält. Diese Eigenschaft erlaubt es, auch einen einstufigen Wandler zu bilden, der einen isolierten Flyback und eine aktive PFC in einem einzigen Wandler realisiert.
Der Flyback-Controller hat eine Messschaltung auf der Primärseite und ist in der Lage, die Ausgangsspannung über die Signalform des Schaltknotens auf der Primärseite des Flyback-Wandlers zu erfassen. Während der ausgeschalteten Periode liefert die Ausgangsdiode den Strom an den Ausgang, und die Ausgangsspannung wird auf die Primärseite des Flyback-Trafos reflektiert. Die Amplitude der Spannung des Schaltknotens ist die Summe der Eingangsspannung und der reflektierten Ausgangsspannung, die der Baustein rekonstruieren kann. Die Rückkoppeltechnik der Ausgangsspannung resultiert in einer Regelung mit einer Gesamttoleranz von besser als ±5 Prozent über die vollen Bereiche von Eingangsspannung, Temperatur und der Last.
Von dem Controller akzeptiert werden Eingangsspannungen zwischen 90 bis 265 VAC, die an den Brückengleichrichter angelegt werden. Die resultierende Gleichspannung ist an den Leistungstrafo angelegt und wird mit dem Baustein LT3798 gesteuert geschaltet. Die beiden 100-Ohm-Widerstände, D3 und ein 10-µF-Kondensator laden die Eingangsspannung für ihn auf. Nach dem Einschalten versorgt die dritte Wicklung des Leistungstrafos über die Diode D2 den Flyback-Controller.
Durch das Messen der Ausgangsspannung auf der Primärseite des Trafos ist es nicht mehr nötig, einen Optokoppler, eine Referenzspannung und einen Opto-Treiber zu verwenden. Die Ausgangsspannung wird auf der Primärseite über die
Signalform des Schaltknotens während der Aus-Zeit des Leistungstransistors akkurat gemessen. Der Baustein LT3798 stellt die Ausgangsspannung über die Wahl des Widerstandsteilernetzwerks am FB-Pin und dem Wicklungsverhältnis des Trafos ein. Die Lastregelung ist im Boundary-Modus-Betrieb deutlich verbessert, weil die reflektierte Ausgangsspannung immer bei Nulldurchgang des Diodenstroms abtastet. Der Flyback-Controller hat typischerweise eine Toleranz der Lastregelung von ±3 Prozent.
Trafoauswahl und Designbetrachtungen
Die Trafospezifikationen und das Design sind wahrscheinlich die wichtigsten Aspekte für den erfolgreichen Einsatz des Bauteils LT3798. Zusätzlich zur üblichen Liste an Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung eines isolierten Hochfrequenz-Stromversorgungs-Trafos ergeben, der eine Induktanz mit geringem Leckstrom und enger Kopplung hat, muss das Wicklungsverhältnis des Trafos exakt eingestellt werden.
Da die Spannung auf der Sekundärseite des Trafos von der Spannung abgeleitet ist, die auf der Primärseite abgetastet wird, muss das Wicklungsverhältnis exakt eingestellt sein, um eine konsistente Ausgangsspannung sicher zu stellen. Eine Abweichung des Wicklungsverhältnisses von ±5 Prozent von Trafo zu Trafo kann zu einer Variation der Ausgangsspannung von mehr als ±5 Prozent führen. Glücklicherweise können die meisten Hersteller von magnetischen Komponenten eine Toleranz des Wicklungsverhältnisses von ±1 Prozent oder besser garantieren.
Linear Technology hat eng mit Herstellern magnetischer Komponenten zusammengearbeitet, um vorentwickelte Flyback-Trafos für den Einsatz mit dem Controller LT3798 zu produzieren. Zu den Kooperationspartnern gehören unter anderem Würth Electronics, Coilcraft, Premo und Renco. Diese Trafos verkraften üblicherweise für eine Minute eine Durchschlagspannung von 1.500 VAC von der Primär- auf die Sekundärseite. Trafos mit höheren Durchschlagspannungen und in kundenspezifischer Ausführung lassen sich ebenfalls verwenden.
Der Baustein LT3798 kann mit dem Simulationsprogramm LTspice von Linear Technology mit jedem dieser Trafos modelliert werden. Die Simulationsschaltung enthält Informationen darüber, wie die Schaltung hochfährt, ihre Reaktion auf Lastschritte und Spannungssignalformen an verschiedenen Punkten innerhalb der Schaltung. Es ist dabei einfach, Designänderungen zu machen und ihre Auswirkungen auf die Leistung der Schaltung zu beobachten.
