Entwurf eines Schaltnetzteils mit isolierter Flyback-Topologie

Da alle elektronischen Systeme irgendeine Art von Energie benötigen, sind Netzteile gut charakterisiert und verstanden. Trotzdem stellen Konstruktion und Auswahl eines Netzteils die Ingenieure wegen des Trends zu geringeren Abmessungen, höherem Wirkungsgrad, größerer Zuverlässigkeit und höherer Leistungsintegrität für Anwendungen von Mobilgeräten bis zu netzbetriebener Hardware immer wieder vor Herausforderungen.

Mit den neuen Highspeed-Datenkommunikationssystemen wie etwa 5G werden die Anforderungen an Timing und Rauschabstand recht extrem.

Um das Problem zu lösen, eine effiziente und zuverlässige Stromversorgung mit geringen Abmessungen bereitzustellen, setzen die Entwickler Schaltnetzteile mit Flyback-Topologie ein. Diese Topologie ermöglicht bei Leistungen bis zu 150 Watt eine geringere Anzahl von Komponenten bei geringen Abmessungen und Kosten. Es sorgt auch für Isolierung von Eingang und Ausgang und für einen ansprechenden Wirkungsgrad.

In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Schaltnetzteilen behandelt und kurz auf die Entscheidung zwischen Konstruktion und Kauf eingegangen. Es wird auch das Design eines Netzteils mit einzelnem Ausgang unter Verwendung der Flyback-Topologie untersucht und ein Musterentwurf unter Verwendung leicht verfügbarer Teile und Komponenten bereitgestellt.

Schaltnetzteile

Ein Schaltnetzteil (SMPS) ist eine Energiequelle, die mithilfe eines Schaltreglers eine stabile Ausgangsspannung ausgehend von einer Gleich- oder Wechselstromquelle liefert. In einem Schaltregler werden ein oder mehrere Halbleiterbausteine wie Bipolar-Transistoren (MOSFETs bzw. IGBTs) eingesetzt, die zwischen dem EIN- und AUS-Zustand hin- und herschalten, um die Ausgangsspannung zu regeln. Diese Geräte können mit fester Einschaltdauer und variabler Frequenz oder häufiger mit einer festen Frequenz und einem variablen Tastverhältnis arbeiten. Der hohe Wirkungsgrad beruht auf den geringen Leistungsverlusten der Schaltkomponenten, wenn sie sich im Zustand „Ein“ oder „Aus“ befinden. Der Baustein führt nur beim Übergang zwischen den Zuständen Leistung ab. Auch weil die Schaltfrequenz normalerweise im 10-Kiloherz-Bereich liegt, können Transformatoren, Induktivitäten und Kondensatoren sehr klein sein, was zu einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad führt.

Den Vorteilen eines Schaltnetzteils steht das Potenzial für elektromagnetische Interferenz (EMI) gegenüber. Diese wird durch Überspannungen beim Schalten ausgelöst und kann durch sorgfältige Auswahl der Komponenten, des Layouts und der Schirmung abgemildert werden. Im Ergebnis überwiegen die Vorteile von Schaltnetzteilen eindeutig, und sie sind die am häufigsten verwendeten Netzteile. Linearnetzteile sind nur noch bei extrem empfindlichen elektronischen Geräten anzutreffen.

Topologie eines Schaltnetzteils

Schaltnetzteile können mit vielfältigen Schaltungsauslegungen (Topologien) realisiert werden. Es gibt über ein Dutzend gängige Topologien (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die 10 gängigsten Schaltnetzteil-Topologien (Datenquelle: DigiKey)

Flyback-Topologie

Der Flyback-Wandler stellt die beliebteste Schaltung für Schaltnetzteile dar (Abbildung 1).

Funktionsdiagramm eines Flyback-Wandlers mit einem einzigen MOSFET-Schalter und einem Flyback-Transformator (Bildquelle: DigiKey)

Der Hauptvorteil der Flyback-Topologie ist ihre Einfachheit. Sie benötigt auf jeder Leistungsstufe die geringste Komponentenanzahl aller Schaltnetzteil-Topologien. Das Netzteil kann von einer Gleich- oder Wechselstromquelle gespeist werden. Wenn es für den Betrieb an einer Wechselstromquelle (Netz) konfiguriert ist, findet normalerweise eine Vollweggleichrichtung statt. Die Eingangsquelle (V_i) ist Gleichstrom.

Das Herzstück der Schaltung ist der Flyback-Transformator. Im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatorwicklungen stehen Primär- und Sekundärwicklung nicht gleichzeitig unter Strom. Dies beruht darauf, dass die Wicklungsphase umgekehrt wird, was durch die Punkt-Notation an den Windungen und die in Reihe geschaltete Diode auf der Sekundärseite gekennzeichnet wird.

Die Verwendung eines Flyback-Transformators hat mehrere Vorzüge. Der erste besteht darin, dass die Primär- und die Sekundärseite des Netzteil elektrisch isoliert sind. Die Isolierung reduziert die Kopplung von Spannungsspitzen auf der Primärseite, verhindert Masseschleifen und bietet größere Flexibilität bei der Polarität des Ausgangs.

Der Transformator erlaubt die Erzeugung von mehreren Ausgangsspannungen. Es werden für jede Spannung zusätzliche Windungen am Transformator angebracht. Die Regelung basiert auf nur einem Ausgang, und die Sekundärausgänge werden normalerweise lokal geregelt.

Die Schaltung beginnt die Funktion mit eingeschaltetem Schalter (z. B. ein MOSFET) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Funktionsweise eines Flyback-Netzteils mit den hauptsächlichen Wellenformen für jede der beiden Betriebsarten. (Bildquelle: DigiKey)

Wenn der Schalter ein ist, beträgt V_DRAIN nahezu null Volt und der Strom I_P fließt durch die Primärwindung des Transformators. Die Energie wird im Transformator als magnetische Induktion gespeichert. Diese Stromstärke steigt relativ zur Zeit linear an. Die in Serie geschaltete Diode auf der Sekundärseite wird in Sperrrichtung betrieben und daher fließt dort kein Strom. Die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie fließt in den Ausgang ab.

Wenn der MOSFET-Schalter ausgeschaltet wird, fließt die im Transformator gespeicherte Energie durch die Diode in den Ausgangskondensator und in die Ausgangslast ab. Der Sekundärstrom beginnt mit einem hohen Wert und fällt dann linear ab. Wenn die Sekundärstromstärke auf Null abfällt, bevor der Schalter wieder eingeschaltet wird, wirkt das Netzteil als Netzteil im Lückbetrieb (Discontinuous Current Mode, DCM). Wenn die Sekundärstromstärke nicht auf Null abfällt handelt es sich um ein Netzteil im kontinuierlichen Modus (Continuous Current Mode, CCM). Da die in der Induktivität gespeicherte Energie bei jedem Schaltzyklus vollständig abfließt , kommt ein DCM-Netzteil mit einem kleineren Transformator aus. Darüber hinaus ist das Netzteil normalerweise stabiler und die EMI ist geringer.

Die in der Streuinduktivität des Transformators gespeicherte Energie fließt in die Primärwindungen, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, und wird durch den Überspannungsschutz am Eingang absorbiert, dessen Aufgabe darin besteht, den Halbleiter-Schalter vor hohen Induktionsspannungen zu schützen. Ein Leistungsverlust entsteht nur während der Schaltvorgänge zwischen den Zuständen EIN und AUS (Abbildung 3).

Abbildung 3; Messungen an einem Flyback-Netzteil mit Strom- und Spannungswellenformen am MOSFET-Schalter mit unmittelbarem Leistungsverlust (Bildquelle: DigiKey)

Die oberste Linie in Abbildung 3 zeigt die Spannung am MOSFET-Schalter in einem Flyback-Netzteil. Die farbigen Überlagerungen zeigen den Zustand des MOSFETs. Die blaue Überlagerung zeigt an, dass der Baustein leitend ist, wogegen rote Bereiche anzeigen, dass der Baustein AUS ist. Die Linie in der Mitte bezeichnet den Strom durch das Gerät. Die untere Linie zeigt die augenblickliche Leistung als Produkt der angelegten Spannung und der Ausgangsstromstärke. Beachten Sie, dass die Leistungsverluste während der Schaltvorgänge am höchsten sind. Die Messwerte unter den Linien zeigen von links nach rechts die Leistungsverluste während des Einschaltens, im leitenden Zustand, während des Ausschaltens, im ausgeschalteten Zustand und die Summe über alle Leistungsverluste über alle Phasen.

Controller/Regler

Der Schaltbaustein, z. B. das MOSFET im Diagramm (ebenfalls Abbildung 2), wird von einem Controller oder einem Schaltregler gesteuert. In den meisten Fällen leitet der Controller eine pulsweitenmodulierte Welle (PWM) auf das Steuerelement des Schalters, im Falle eines MOSFETs auf das Gate. Der Ausgang des Netzteils wird mit dem Controller rückgekoppelt. Dadurch variiert der Arbeitszyklus des Ansteuerungssignals für das Gate und hält so eine konstante Ausgangsspannung aufrecht. So bildet der Controller einen geschlossenen Regelkreis mit dem Flyback-Wandler.

Die Controller können auch verschiedene Hilfsfunktionen ausführen, z. B. den Schutz des Netzteils vor Überlastung, Überspannung und Spannungsabfällen im Netz. Er kann ebenfalls den Start des Netzteils verwalten, um einen kontrollierten ("weichen") Start zu gewährleisten und Spannungs- und Stromspitzen beim Einschalten zu minimieren.

Konstruktion von Schaltnetzteilen

Verschiedene Hersteller von Halbleiterkomponenten bieten eine Reihe von Entwicklungstools für Schaltnetzteile an, z. B. WEBENCH Power Designer vonTexas Instruments (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Startseite des WEBENCH Power Design Center von Texas Instruments zeigt die Grundspezifikationen eines Schaltnetzteil-Designs für ein 25Watt-5Volt-Flyback-Netzteil. (Bildquelle: DigiKey)

Das Design beginnt mit der Eingabe der Spezifikationen für den Eingangsspannungsbereich, die gewünschte Ausgangsspannung und die Stromstärke. In diesem Falle geht es um das Design eines Netzteils für 5 V und 5 A mit Wechselstromeingang mit einer isolierten Topologie. Für komplexe Netzteile mit Mehrfachausgängen gibt es ein erweitertes Power Architect-Designtool.

Von diesem Punkt aus gibt die Software eine Reihe von Designs und Eingabeaufforderungen aus, damit der Benutzer den Controller auswählen kann. Der Benutzer kann jedes Design begutachten und den Schaltplan, die Kosten für die Materialliste (BOM), den Wirkungsgrand und ein Dutzend damit zusammenhängende Spezifikationen der Schaltung überprüfen.

In diesem Beispiel wurde der Flyback-Wandler UCC28740 von Texas Instruments gewählt, und der Schaltplan des Designs wurde angezeigt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Schaltplan des 25Watt-Wechselstrom-Schaltnetzteils mit optisch isoliertem Feedback nach Angaben von WEBENCH. (Bildquelle: DigiKey)

Wenn Sie auf eine Komponenten des Schaltplans zeigen, wird eine detaillierte Teilebeschreibung eingeblendet, und Sie haben die Möglichkeit, eine andere Komponente zu wählen. Der Controller (U1) erhält Feedback vom Ausgang über den Optokoppler PS2811-1-F3-A vonCEL. Diese Feedback-Methode erhält die elektrische Isolierung zwischen dem Primär- und Sekundärstromkreis aufrecht. Der Controller generiert ein PWM-Steuersignal für den Schalter M1, das 900 V-18,5 A-MOSFET STB21N90K5 von STMicroelectronics. Das Designtool ist auch bei der Auswahl und beim Design des Flyback-Transformators behilflich.

Auf einer Zusammenfassungsseite wird ein Überblick über die wichtigsten Elemente das Designs angezeigt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Zusammenfassung des Designs konsolidiert sämtliche Elemente des vorgeschlagenen Designs. (Bildquelle: DigiKey)

Der Tuning-Abschnitt erlaubt die Optimierung des Designs im Hinblick auf niedrigste Materialkosten, geringste Abmessungen oder höchsten Wirkungsgrad. Mit diesem Tool können unerfahrene Designer durch Überprüfung verschiedener Designs und der Wirkung von Änderungen der Komponenten Erfahrungen sammeln.

Entwickeln oder kaufen?

Zweifellos ist eine Lernkurve zu bewältigen, wenn ein Entwickler keine Erfahrung mit Schaltnetzteilen hat. Wenn die Zeit bis zur Marktreife ein wichtiger Punkt ist, ist der Kauf eines Standardnetzteils oder ein Vertragsabschluss für ein kundenspezifisches Design zu empfehlen. Falls Zeit und technisches Personal zur Verfügung steht – insbesondere dann, wenn Netzteile für verschiedene Projekte benötig werden – könnte es sich lohnen, ein Netzteil zu konstruieren. Naturgemäß erwirbt das Design-Team durch häufige Beschäftigung mit dem Design von Schaltnetzteilen die nötigen Kenntnisse.

Fazit

Schaltnetzteile haben einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Abmessungen. Bei einer Leistung von weniger als 150 W umfassen die Vorteile der Flyback-Topologie mehrere Ausgänge, eine geringe Anzahl von Komponenten und Isolierung des Netzes.