Bislang gab es für Entwickler von netzgespeisten Schaltnetzteilen nur die Möglichkeit, entweder ein kostengünstiges Netzteil oder eines mit exakt geregelter Ausgangsspannung zu designen. In welche Kategorie Netzteile fallen, hängt von der Regelung
ihrer Sperrwandler ab. Primärseitig geregelte Sperrwandler sind einfach und günstig, wohingegen sekundärseitig geregelte Sperrwandler sehr genau regeln.
Bei der primärseitigen Regelung wird die Ausgangsspannung in einer Hilfswicklung auf dem Übertrager dargestellt. Die Hilfswicklung ist von der Sekundärwicklung galvanisch getrennt. Der Schaltregler regelt die Spannung an der Hilfswicklung und
damit indirekt die Ausgangsspannung. Dadurch lässt sie sich auf ±5 Prozent genau über Last und Eingangsspannung regeln.
Die Hilfswicklung wird oft gleichzeitig als Versorgungsspannung für den Schaltregler genutzt. Der große Vorteil dieses Aufbaus ist seine Einfachheit, einhergehend mit niedrigen Kosten. Sehr gut geeignet ist er für kleine Leistungen. Zwar steigt mit
höherer Schaltfrequenz die Regelgenauigkeit an, gleichzeitig nehmen aber auch die Verluste zu. Für kleine Leistungen stellt die primärseitige Regelung das Optimum zwischen Regelgenauigkeit, Schaltfrequenz und Verlusten auf der einen und einfacher Schaltung und niedrigen Kosten auf der anderen Seite dar.
Unverzichtbar für exakte Ausgangsspannung
Bei der sekundärseitigen Regelung wird die Regelgröße Ausgangsspannung über einen Optokoppler, galvanisch getrennt, auf den primärseitigen Regler zurückgeführt. Technisch bietet diese Lösung einige Vorteile. Die Ausgangsspannung lässt sich auf ±1 Prozent über die Eingangsspannung regeln. Außerdem reduziert sich der Einfluss der Temperatur auf die Genauigkeit der Ausgangsspannung und das Gerät reagiert sehr schnell auf Lastsprünge. Weitere Vorteile sind eine geringe Leistungsaufnahme im Leerlauf, ein stabilerer Regelkreis und eine höhere Toleranz beim Übertrager. Die sekundärseitige Regelung besitzt allerdings auch Nachteile. Sie hat einen höheren Entwicklungsaufwand, höhere Bauteilekosten und benötigt mehr Platz auf der Platine. Außerdem altert der eingesetzte Optokoppler. Wer eine genau geregelte Ausgangsspannung in allen Betriebsbereichen benötigt, kam allerdings bisher an einem sekundär geregelten Netzteil nicht vorbei und musste die Nachteile in Kauf nehmen.
Alternative zu Primär- und Sekundärregelung
Eine Alternative zu diesen beiden Varianten haben Ingenieure von Power Integrations entwickelt. Ihnen ist es gelungen, die galvanische Trennung in den Schaltregler zu integrieren. Dadurch wird die Regelgröße Ausgangsspannung auf der Sekundärseite erfasst und über ein sogenanntes Flux-Link im Gehäuse des Schaltreglers, auf den primärseitigen Regler zurückgeführt. Flux-Link ist eine galvanisch getrennte, digitale Kommunikationsschnittstelle zwischen Primär- und Sekundärseite, die im Schaltnetzteilregler untergebracht ist. Sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite befindet sich dabei ein IC. Die beiden ICs sind über den Flux-Link verbunden. Das alles ist in einem Gehäuse untergebracht, das die Kriechstrecken einhält.
Die neue Technologie vereinigt die Vorteile von Primär- und Sekundärreglung:
Regelung der Ausgangsspannung auf ±1 Prozent
Sehr schnelle Reaktion auf Lastsprünge
Reduzierter Temperatureinfluss auf die Genauigkeit der Ausgangsspannung
Sehr geringe Leistungsaufnahme im Leerlauf
Stabilerer Regelkreis als bei primärseitiger Regelung
Toleriert größere Übertragertoleranzen
Geringe Kosten und geringer Entwicklungsaufwand
Mehr als die Vorteile beider Regelungsarten
Flux-Link hat allerdings noch weitere Vorteile. Es nutzt weder optoelektronische noch ferromagnetische Bauteile. Das macht es immun gegenüber Temperatur, Alterung und Verschmutzung. Außerdem ist es extrem unempfindlich gegen magnetische und elektrische Störfelder sowie Strahlung. Ein weiterer großer Vorteil ist der geringe Platzbedarf der Flux-Link-Technologie. Darüber hinaus verfügt es über sehr kurze Reaktionszeiten, eine hervorragende Lastregelung, eine geringe Verlustleistung und eine Konstantspannungs- und Konstantstrom-Regelung. Zusätzlich dazu ist es zuverlässiger als andere Spannungsregelungen und erreicht über Synchrongleichrichtung, einen höheren Wirkungsgrad als diese. Da die galvanische Trennung durch Flux-Link ins IC-Gehäuse wandert, wurde es weltweit nach UL, CSA, EN, TÜV und CQC zertifiziert.
Flux-Link kommt aktuell in den ICs der Inno-Switch-Familie von Power Integrations zum Einsatz. Dadurch erfüllen sie die derzeit höchsten Anforderungen an Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme in Bereitschafts- und Leerlaufbetrieb. Sie entsprechen sowohl den Standards der California Energy Commission, als auch des European Union Code of Conduct Tier2 und des DoE6. Gerade Wirkungsgrad und Leerlaufverbrauch werden hier immer wichtiger. Die 2016 in diesem Bereich in Kraft tretenden Richtlinien erfüllen die ICs bereits heute.
Durch den hohen Wirkungsgrad und die geringere Anzahl an benötigten Bauteilen, lassen sich Steckernetzteile mit kleineren Gehäusen konstruieren. Zum Beispiel kann ein USB-Ladegerät für Mobiltelefone mit einer Ausgangsspannung von 5 V und einem Ausgangsstrom von 2,5 A mit nur 30 Bauteilen realisiert werden. Das sind ungefähr 33 Prozent weniger, als bei vergleichbaren, derzeit verfügbaren USB-Ladegeräte.
Auch für Industrienetzteile, die eine besonders genaue Regelung der Ausgangsspannung und eine hervorragende Lastregelung benötigen, sind die Inno-Switch-ICs dank der Flux-Link-Technologie sehr gut geeignet. Der Preis entspricht dem eines primär geregelten Schaltnetzteils.
Flux-Link bietet Entwicklern also die Möglichkeit, ein Schaltnetzteil im niedrigen Preissektor, jedoch mit den Eigenschaften eines aufwendigeren Netzteils zu konstruieren. Über 90 Prozent Wirkungsgrad sind möglich. Die Kosten entsprechen ungefähr denjenigen eines primär geregelten Netzteils. Weitere Vorteile sind eine hervorragende Lastregelung – meist sogar besser als bei sekundärseitig geregelten Netzteilen – sowie eine deutlich höhere Zuverlässigkeit, als bei sekundär geregelten Netzteilen. Außerdem lässt sich die Ausgangsspannung auf ±1 Prozent über die Eingangsspannung regeln.
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