Einfache Entwicklung von Netzteilen mit einer benutzerfreundlichen SMPS-Matrix (Schaltnetzteilmatrix)

Bei der Entwicklung von elektronischen Produkten oder Komponenten wird zwangsläufig eine geeignete Spannungsversorgung benötigt. Bei Stromversorgungen, die von einigen zehn Watt bis zu mehreren Kilowatt (kW) reichen, kann es schwierig sein, die richtigen Optionen zu finden. Bei Tausenden von Optionen, passenden Gleichrichtern, Leistungsreglern, Schaltern und Gate-Treibern kann das Problem den Entwicklungsprozess verlangsamen, die Kosten erhöhen und die Einhaltung von Fristen gefährden.

Eine Möglichkeit, die Dinge zu vereinfachen, besteht darin, mit dem Angebot an intelligenten Stromversorgungen eines vertrauenswürdigen Anbieters zu beginnen und dessen Online-Tools zu nutzen, um eine optimale Auswahl zu treffen. So kann beispielsweise eine Matrix für Schaltnetzteilkomponenten (SMPS), die nach Anwendung, Topologie, Geräten und kritischen Merkmalen geordnet ist, den Auswahl- und Entwicklungsprozess beschleunigen.

In diesem Artikel wird kurz auf das Design von Schaltnetzteilen eingegangen. Anschließend wird eine SMPS-Komponentenmatrix von onsemi vorgestellt, die Brückengleichrichter, Controller, Gatetreiber und Leistungsschalter verbindet, die mit jedem Leistungsniveau der Anwendung kompatibel sind. Er erläutert die wichtigsten Produktdefinitionen und gibt Beispiele für die Verwendung der Matrix zur Vereinfachung der Komponentenauswahl.

Design von Schaltnetzteilen

Betrachten Sie die Schlüsselelemente eines einfachen netzgespeisten SMPS, das für eine USB-Power-Delivery-Anwendung (PD) mit einer Leistung von 100 W vorgesehen ist (Abbildung 1). Für die Netz- oder Primärseite der Stromversorgung werden in der Regel ein Gleichrichter, ein Leistungsfaktorkorrekturregler (PFC), ein Leistungsregler, ein Optokoppler, Gate-Treiber und Leistungsschalter benötigt. Auf der Sekundärseite werden in der Regel ein Synchrongleichrichter-Controller (SRC), Synchrongleichrichterschalter (SR), ein USB-PD-Controller und ein Optokoppler benötigt.

Abbildung 1: Dargestellt sind die Hauptkomponenten eines typischen 100W-SMPS. (Bildquelle: onsemi, geändert vom Autor)

Die Komponenten für diesen Entwurf entsprechen dem Leistungsniveau. Bei der Entwicklung müssen die primärseitigen Topologien für PFC und Leistungsregelung sowie die sekundärseitigen Gleichrichter- und Reglertopologien ausgewählt werden. Auf der Grundlage dieser Entscheidungen können dann die einzelnen Komponenten ausgewählt werden.

Die SMPS-Matrix von onsemi hilft bei der Auswahl der Stromversorgungskomponenten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die interaktive SMPS-Matrix hilft bei der Auswahl aktiver Komponenten auf der Grundlage der Leistungsklasse des Netzteils und der bevorzugten Topologie. (Bildquelle: onsemi)

Die SMPS-Matrix basiert die Designauswahl auf dem Leistungsniveau und der Leistungsdichte, die in den ersten beiden Spalten auf der linken Seite erscheinen. Die höchsten Leistungsstufen befinden sich oben und nehmen zur untersten Zeile hin ab. Leistungsstufen von 5 W bis über 3 kW sind enthalten. Da die Leistungsdichte ein Maß für die Leistung pro Volumeneinheit ist, ergibt eine ultrahohe Leistungsdichte ein Netzteil, das kleiner ist als ein hochdichtes Gehäuse. Eine Alternative zu diesen beiden Packungsmöglichkeiten ist das flache Gehäuse. Die Matrix stellt den Spannungspegel der Stromversorgung entsprechend der Leistung ein.

Jeder Eintrag in der Matrix enthält eine bis drei Zeilen mit empfohlenen Komponenten, die der gewählten Leistungsdichte entsprechen und ausgewählte Komponenten für die primär- und sekundärseitige Topologie bereitstellen. Einträge mit der Kennzeichnung N/A zeigen an, dass der Eintrag nicht für den jeweiligen Leistungspegel und die jeweilige Leistungsdichte gilt.

In der Spalte „Gleichrichter“ sind die vorgeschlagenen Brückengleichrichterkomponenten für den entsprechenden Leistungspegel aufgeführt. In einigen Fällen ist der Eintrag brückenlos. Dies ist dann der Fall, wenn eine Gleichrichterbrücke nicht benötigt wird, weil ein anderes Bauteil, wie z. B. ein Totempol-PFC, dessen Funktion ersetzt hat. Anhand der Einträge „Fast Leg“ und „Slow Leg“ in den PFC-Feldern lassen sich die Totem-Pole-PFCs schnell identifizieren. Diese PFCs verfügen über Schalter mit langsamen Zweigen (Slow Leg), die mit der Netzfrequenz arbeiten, während die Schalter mit schnellen Zweigen (Fast Leg) mit einer höheren, typischeren Schaltfrequenz arbeiten.

Die Matrix schlägt eine primäre Topologie auf der Grundlage des gewünschten Leistungspegels vor. Empfohlen werden Regler mit einer der vier üblichen Topologien: Flyback (Switcher), Active Clamp Flyback (ACF), Quasi-Resonant(QR)-Flyback oder Induktivität-Induktivität-Kondensator (LLC).

Der Sperrwandler (Flyback Converter) ist eine isolierte Stromversorgungs-Topologie ohne direkte elektrische Verbindung zwischen der Primär- und der Sekundärseite. Wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet wird, überträgt die gekoppelte Induktivität Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite. Die Spannungsregelung des Umrichters erfolgt durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer festen Frequenz.

Das ACF-Design verwendet das Flyback-Konzept einer gekoppelten Induktivität, um Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite zu übertragen. Zusätzlich wird ein aktives Bauteil verwendet, um die Streuinduktivität der gekoppelten Induktivität in einen Kondensator zu entladen oder zu klemmen, um die Belastung des MOSFET-Leistungsschalters zu minimieren.

Die QR-Flyback-Topologie nutzt die parasitäre Induktivität und Kapazität des Schaltkreises, um eine nahezu resonante Reaktion zu erzielen und den Leistungsschalter bei einem Minimum der Drain-Spannung einzuschalten. Dieses „sanfte Schalten“ reduziert die Schaltverluste des Wandlers.Die daraus resultierende Schaltfrequenz ist nicht fest und variiert mit der Last.

Der LLC-Wandler arbeitet mit einem vollresonanten Verhalten, um eine echte Null-Drain-Spannungsschaltung zu gewährleisten. Er reduziert die Schaltverluste auch im Leerlauf und eignet sich gut für höhere Leistungen.

Die empfohlenen Regler sind um bestimmte Leistungsbereiche herum gruppiert, wobei der Switcher für die niedrigsten Leistungsstufen, der QR und ACF für mittlere Leistungsstufen und die LLC-Wandler für höhere Leistungsstufen verwendet werden.

Die Matrix enthält detaillierte SMPS-Blockdiagramme, die die Verbindungen zwischen den Komponenten für elf spezifische Designs veranschaulichen und fünf verschiedene Leistungsstufen und -dichten abdecken, die auf beschrifteten Registerkarten verfügbar sind (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Matrix enthält detaillierte SMPS-Blockdiagramme für elf spezifische Designs, die fünf verschiedene Leistungsstufen und -dichten abdecken und über beschriftete Registerkarten verfügbar sind. (Bildquelle: onsemi)

Sobald ein Leistungspegel und eine Leistungsdichte ausgewählt sind, können die Komponenten aus den entsprechenden Zeilen des Leistungspegels und den topologiespezifischen Spalten der Matrix ausgewählt werden. Wenn Sie auf die mit einem Hyperlink versehenen Bauteilnummern klicken, öffnet sich eine erweiterte Ansicht der Matrix, in der die hervorgehobenen Nummern mit den DigiKey-Bauteilnummern verknüpft sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: Durch Klicken auf eine beliebige mit einem Hyperlink versehene Teilenummer in der ursprünglichen Matrix wird eine erweiterte sekundäre Matrix mit Links zu DigiKey-Bauteilen geöffnet. (Bildquelle: onsemi)

Alle in der ausgewählten Zeile und Topologie aufgeführten Komponenten sind kompatibel.

Verwendung der Matrix

Ein hervorragendes Beispiel für eine mittlere Leistungsstufe ist ein 100W-SMPS für USB-PD, ähnlich dem in Abbildung 1 gezeigten Blockdiagramm. In der Matrix deckt die Reihe mit den Leistungsstufen 70 W bis 200 W die erforderliche Leistung von 100 W ab. Wenn Sie in der Spalte „Leistungsdichte“ die Option „Hoch“ auswählen, wird die erweiterte Matrix mit Links zu den erforderlichen Komponenten angezeigt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die grünen Kästen skizzieren die Komponentenauswahl für ein 100W-SMPS hoher Leistungsdichte auf der erweiterten Matrix. Die blauen Teilenummern sind mit einer entsprechenden DigiKey-Produktfilterseite verknüpft. (Bildquelle: onsemi)

Internationale Vorschriften, vor allem in der Europäischen Union, schreiben die Verwendung von PFC bei einer Leistung von 75 W oder mehr vor. Als PFC-Controller wird hier der NCP1623 von onsemi empfohlen. Der NCP1623 ist ein kleiner Boost-PFC-Controller, der bis zu 300 W für schnellladende Netzteile und modulare Computer-Netzteile unterstützt, bei denen Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit, hoher Leistungsfaktor und Effizienz wesentliche Anforderungen sind. Er erfordert einen externen Brückengleichrichter, wobei der GBU6M oder der GBU6K von onsemi empfohlen wird. Der kompatible PFC-Leistungsschalter ist der NTP125N60S5H von onsemi, ein schneller MOSFET mit einer maximalen Drain-Source-Spannung (V_DSS) von 600 V, einem maximalen Drainstrom (I_D) von 22 Ampere (A) und einem Drain-Source-Durchlasswiderstand (R_DS(ON)) von 125 Milliohm (mΩ).

Als primärseitiger Controller wird der Hochfrequenz-QR-Flyback-Controller NCP1343 von onsemi empfohlen. Er ist ein idealer Controller für AC/DC-Adapter und Open-Frame-Stromversorgungen, da er alle notwendigen Komponenten enthält, die in modernen SMPS-Designs erforderlich sind. Er ist auf den Leistungsschalter NVD260N65S3 abgestimmt, der für 650 V_DSS, 12 A I_D und einen R_DS(ON) von 260 mΩ ausgelegt ist.

Der NPC4307 von onsemi ist ein Synchrongleichrichtungstreiber auf der Sekundärseite des Netzteils. Er gewährleistet eine effiziente Synchrongleichrichtung, wenn er mit dem MOSFET-Schalter NTMFSC010N08M7 von onsemi verwendet wird, der für 80 V_DSS, 61 A I_D und einen R_DS(ON) von 10 mΩ ausgelegt ist.

Der letzte wichtige Schritt im Design ist die Auswahl des USB-PD-Controllers, der den Optokoppler auf der Sekundärseite eines AC/DC-Adapters oder eines DC/DC-Port-Stromreglers verwalten kann. Die Matrix schlägt den onsemi PD3.0-Protokoll-Controller FUSB15101 (mit USB-PPS-Unterstützung (PPS = Programmable Power Supply)) am Stromversorgungsausgang mit einem N-Kanal MOSFET NTTFS4C02NTAG von onsemi mit 30 V_DSS und 164 A I_D vor. Sein R_DS(ON) beträgt 2,25 mΩ bei 10 V und 3,1 mΩ bei 4,5 V.

Die resultierende Stromversorgung, die als Evaluierungsboard NCP1343PD100WGEVB von onsemi (Abbildung 6) erhältlich ist, hat einen Ausgangsspannungsbereich von 3,1 V bis 21 V. Ihr durchschnittlicher Wirkungsgrad beträgt 92 % bei einer Eingangsspannung von 115 V oder 230 V_AC. Es passt in ein Gehäuse von 60 x 60 x 19 mm und hat eine Leistungsdichte von 24 W pro Kubikzoll (W/in³).

Abbildung 6: Oben (links) und unten (rechts) sind die Ansichten des 100W-USB-PD-Referenznetzteils zu sehen, das auf den mithilfe der SMPS-Matrix ausgewählten Komponenten basiert. (Bildquelle: onsemi)

Fazit

Die SMPS-Matrix von onsemi bietet einen benutzerfreundlichen Pfad für die Auswahl von Stromversorgungskomponenten und stellt sicher, dass die Auswahl kompatibler kritischer Komponenten dem Leistungsniveau des Designs entspricht. Es reduziert den Zeitaufwand für die Suche nach Teilen und bietet sofortige Links zu Datenblättern und Preisangeboten.