Elektrofahrzeuge und große Speicherbatteriesätze, aber auch Stromversorgungen für Home-Automation-, Industrie- und Telekommunikationsanwendungen machen es notwendig, hohe Spannungen in ±12 V umzuwandeln, wenn für Verstärker, Sensoren, Datenwandler und industrielle Prozesssteuerungen eine bipolare Stromversorgung benötigt wird. Zu den Herausforderungen in allen diesen Systemen gehört die Realisierung eines kompakten und effizienten, bipolaren Reglers, der in einem Temperaturbereich von -40 bis 125 °C einsetzbar ist, was im Automobilbereich und in Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen besonders wichtig ist.
Auf der Kandidatenliste für bipolare Stromversorgungen stehen die bestens bekannten Linearregler meist ganz oben. Für die eingangs erwähnten Anwendungen mit hoher Eingangsspannung und niedriger Ausgangsspannung kommen sie jedoch nicht in Frage, was hauptsächlich dadurch begründet ist, dass in ihnen viel Verlustwärme entsteht, sobald das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung sehr groß wird.
Hinzu kommt, dass für eine bipolare Lösung mindestens zwei integrierte Schaltungen (ICs) nötig sind: ein Linearregler für die positive und ein Wandler für die negative Spannung. Besser wäre es dagegen, wenn ein einziger Schaltregler aus einer relativ hohen Eingangsspannung beide Ausgangsspannungen erzeugen könnte, dabei einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Regelgenauigkeit bieten und wenig Platz beanspruchen würde und überdies noch besonders kostengünstig wäre.
Als Beispiel werden folgend zwei elegante Schaltungen mit dem Hochvolt-Wandler LT8315 beschrieben, die aus Eingangsspannungen von 30 bis 400 V Ausgangsspannungen von ±12 V erzeugen. Bei der einen Schaltung handelt es sich um einen isolierten Sperrwandler, während die andere auf einer nicht isolierten Abwärtswandler-Topologie beruht.
Der LT8315 ist ein monolithischer Hochvolt-Wandler mit einem integrierten, für 630 V / 300 mA ausgelegten MOSFET, Regelschaltungen und einer Hochvolt-Anlaufschaltung. Alles ist integriert in ein TSSOP-Gehäuse mit 20 Anschlüssen.
Isolierter und bipolarer Sperrwandler ohne Optokoppler
Sperrwandler (Flyback Converters) werden häufig in Anwendungen mit mehreren Ausgängen eingesetzt, um für galvanische Isolation zu sorgen sowie die funktionale Sicherheit und die Störimmunität zu verbessern. Abhängig davon, welche Seite des Ausgangs mit der Masse verbunden wird, können positive oder negative Ausgangsspannungen erzeugt werden.
Die Regelung der Ausgangsspannung wird traditionell erzielt, indem per Optokoppler Informationen von den sekundärseitigen Referenzschaltungen an die Primärseite übermittelt werden. Problematisch hieran ist, dass Optokoppler erheblich mehr Komplexität mit sich bringen und wegen der Signallaufzeit, der Alterung und des schwankenden Stromübertragungsverhältnisses die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
In der Regel wird die Regelschleife von dem Ausgang dominiert, der mit dem Feedback-Anschluss des ICs verbunden ist. Währenddessen sind die übrigen Ausgänge über die Wicklungen des Übertragers nur lose angekoppelt, was ihnen nur mäßige Regelungseigenschaften verleiht.
Der LT8315 kommt dagegen ohne Optokoppler aus und erfasst die reflektierte, isolierte Ausgangsspannung an einer dritten Wicklung des Leistungsübertragers. Da die Ausgangsspannung außerdem erfasst wird, wenn der Sekundärstrom nahezu null ist, wird eine hervorragende Lastregelung erzielt. In einem Design mit zwei Ausgängen führt dieses besondere Abtastprinzip zu einer hohen Regelgenauigkeit an jedem Ausgang. Beide Ausgänge können also die Regelung dominieren, und es ist leicht möglich, eine Lastregelung von typisch ±5 Prozent zu erzielen.
Die hier kurz vorgestellte LT8315-Lösung arbeitet im Quasiresonanz-Boundary-Conduction-Modus. Im primärseitigen MOSFET entstehen minimale Einschaltverluste, weil das Einschalten genau dann erfolgt, wenn die Schwingungen am Schaltknoten ein Minimum erreichen. Auf der Sekundärseite kommt es außerdem zu keinen Dioden-Sperrverzögerungsverlusten.
Als einziges Bauelement überquert ein Übertrager mit verstärkter Isolation (3 kV) die Isolastionsbarriere, was die Systemzuverlässigkeit erhöht und die strikten Anforderungen bezüglich der Hochspannungs-Isolation berücksichtigt. Analysiert man den Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung, wird man sehen, dass der Sperrwandler einen maximalen Wirkungsgrad von 85,3 Prozent erreicht, wenn die Eingangsspannung 70 V beträgt und beide Lastströme je 50 mA betragen.
Im aufgeführten Schaltbild eines Sperrwandlers mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 30 bis 400 V zu sehen. Die Schaltung erzeugt Ausgangsspannungen von ±12 V und erzielt eine genaue Lastregelung bei Lastströmen von 5 bis 50 mA. Der maximale Wirkungsgrad beträgt dabei 85,3 Prozent.
Nicht isolierter bipolarer Abwärtsregler mit zwei Induktivitäten
Die Eignung des LT8315 für hohe Eingangsspannungen kann in nicht isolierten Lösungen durch Verwendung handelsüblicher Induktivitäten genutzt werden. Der Abwärtsregler benötigt nur wenige externe Bauelemente und lässt sich mit zwei Induktivitäten betreiben. Der Wandler unterstützt einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich von 30 bis 400 V und erzeugt an seinem Ausgang ±12 V bei 30 mA. Die Schaltung kommt bei 30 V Eingangsspannung und vollem Laststrom an beiden Ausgängen auf einen Wirkungsgrad von 87 Prozent.
Das GND-Pad des LT8315 wird in dieser Topologie bewusst nicht mit der Masse verbunden, sondern fungiert als gemeinsamer Schaltknoten für beide Ausgänge. Für das Leiterplatten-Layout sollte die Größe des GND-Pads des LT8315 auf die Fläche des exponierten Pads beschränkt sein, um die elektromagnetischen Störbeeinflussungen für andere Bauelemente zu verringern, denn die GND-Leiterbahn ist in dieser Topologie ein Schaltknoten mit relativ hohem Störaufkommen.
Die Diode D2 und die beiden 1-Prozent-Widerstände am FB-Pin bilden den Rückkopplungspfad zur Regelung der positiven Ausgangsspannung. D2 ist nötig, um ein Entladen des FB-Pins zu unterbinden, wenn der MOSFET leitend ist. Der resistive Spannungsteiler muss die an D2 abfallende Vorwärtsspannung nicht berücksichtigen, weil die Vorwärtsspannungen von D2 und D3 identisch sind und sich somit gegenseitig aufheben. Das Rückkopplungs-Netzwerk verfolgt somit die positive Ausgangsspannung und regelt sie exakt.
Die negative Seite umfasst einen für niedrige Spannungen ausgelegten Koppelkondensator (CFLY), eine zweite Induktivität (L2), eine Catch-Diode (D4) und den negativen Ausgangskondensator CO2. Gemäß dem Voltsekunden-Gleichgewicht der Induktivitäten für den Stromkreis CO1-L1-CFLY-L2 ist die durchschnittliche Spannung an L1 und L2 gleich null, sodass die Spannung am Koppelkondensator CFLY gleich der positiven Ausgangsspannung ist. CFLY lädt L2 während der Leitphase des MOSFET, während sich L2 über D4 entladen kann, solange der MOSFET abgeschaltet ist.
Die negative Ausgangsspannung wird indirekt auf der Basis der Tatsache geregelt, dass die Spannung an CFLY konstant bleibt und gleich der positiven Ausgangsspannung ist. Wie an der Regelungskurve dann zu sehen sein wird, wird für den negativen Ausgang eine Regelgenauigkeit von ±5 Prozent erzielt, und zwar für Lastströme von 3 bis 30 mA und für verschiedene Eingangsspannungen, wenn der positive Laststrom den Maximalwert von 30 mA hat.
Fazit
In diesem Artikel wurden ein isolierter und ein nicht isolierter bipolarer Wandler für einen weiten Eingangsspannungsbereich von 30 bis 400 V vorgestellt. In beiden Schaltungen kommt der LT8315 zum Einsatz, der über einen integrierten Hochvolt-MOSFET verfügt, keinen Optokoppler in der Rückkoppelschleife benötigt und eine eingebaute Hochvolt-Anlaufschaltung besitzt.
Weitere Eigenschaften des ICs sind ein durch geringe Welligkeit gekennzeichneter Burst Mode, eine Softstart-Funktion, eine programmierbare Strombegrenzung, eine Unterspannungs-Sperre, eine Temperaturkompensation und eine niedrige Ruhestromaufnahme. Der hohe Integrationsgrad des LT8315 vereinfacht das Design von komplexen Schaltungen mit hoher Eingangsspannung und bipolarem Ausgang für eine Vielzahl von aktuellen Anwendungen.
