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Power management

PWM controllers & resonant controllers – Erste Schritte

Universal-PWM-Controller

PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) sind Steuerungs-ICs für Schaltnetzteile, die den Zielparameter durch Modulation des Tastverhältnisses (Impulsweite) bei einer (einstellbaren) Festfrequenz regeln. Die Bausteine unterstützen Konfigurationen mit mehreren Topologien (Multitopologie), wie z. B. Aufwärts, Abwärts, Aufwärts-Abwärts, Gegentaktfluss, Halbbrücke, Vollbrücke, Sperren, Eintaktfluss und Resonanz-LLC, in Verbindung mit Strom- und Spannungsgegenkopplung. Diese Regelungsoptionen werden in verschiedenen Stromversorgungsarchitekturen für eine breite Palette von Endgeräten eingesetzt.

Flyback

Der Flyback-Wandler ist eine beliebte Wahl für Anwendungen mit einem oder mehreren Ausgängen und einer Leistung von bis zu 150 Watt. Diese Topologie ist von der Abwärts-Aufwärts-Topologie abgeleitet und verwendet den Transformator sowohl zur galvanischen Trennung als auch als Speicherdrossel, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Kosten verringert werden. Sie wird aufgrund der hohen Spitzenströme in der Regel nicht in Anwendungen mit hohem Ausgangsstrom verwendet.

Flyback

Forward

Die Forward-Topologie ist von der Abwärts-Topologie abgeleitet, verwendet allerdings einen Transformator für die galvanische Trennung von Ein- und Ausgang. Die Popularität dieser Topologie ist in erster Linie auf ihre Einfachheit, Leistung und Effizienz bei Leistungen von bis zu 200 Watt zurückzuführen. Die Forward-Topologie ist eine gute Wahl für Anwendungen mit hohem Ausgangsstrom. Die Active-Clamp-Forward-Topologie ist eine weitere Verbesserung der Forward-Topologie, in der ein zusätzlicher Schalter und ein Klemmkondensator verwendet werden, um den Transformator aufzuladen und zurückzusetzen.

Forward

Push-Pull

Die Gegentaktfluss-Topologie ist eine Forward-Topologie mit zwei Primärwicklungen, um den Transformatorkern effizienter zu nutzen. Gegentaktflusswandler können eine höhere Ausgangsleistung als Flyback- und Forward-Flusswandler liefern, allerdings ist das Design komplizierter, da die MOSFET-Schaltvorgänge sorgfältig gesteuert werden müssen, um Shoot-through zu vermeiden und die von Natur aus hohe Schaltbeanspruchung zu reduzieren.

Push-Pull

Halbbrücke

Die von der Forward-Topologie abgeleitete Halbbrücke kann auf hohe Leistungen skaliert werden. Die Schaltbeanspruchung der Leistungsstufe ist geringer als bei der Gegentaktfluss-Topologie. Die Eintaktfluss-Topologie eignet sich gut für Anwendungen mit hohen Eingangsspannungen. Jedoch müssen wie bei der Gegentaktfluss-Topologie die MOSFET-Schaltvorgänge sorgfältig gesteuert werden müssen, um Shoot-through-Ströme zu vermeiden.

Halbbrücke

Resonant-LLC

Eine immer beliebter werdende Halbbrücken-Topologie mit spannungslosem Schalten durch Resonanztechniken auf der Primärseite, um die Schaltverluste zu reduzieren, die EMI-Störungen zu verringern und einen sehr guten Wirkungsgrad zu erzielen. Der Resonant-LLC kann für hohe Ausgangsleistungen verwendet werden. Traditionelle Herausforderungen bei dieser Topologie sind Komplexität, effizienter Betrieb bei Leichtlastbedingungen und Systemkosten.

Vollbrücke

Die Vollbrücken-Topologie wird für Hochleistungsanwendungen verwendet, deren Ausgangsleistung typischerweise im kW-Bereich liegt. Vier MOSFETs werden so geschaltet, dass der Stromfluss durch die Primärwicklung des Transformators in jeder zweiten Halbperiode umkehrt wird und der Wandler daher in zwei Quadranten der B-H-Kennlinie arbeitet. Diese effiziente Nutzung des Transformators führt zu einer höheren Leistungsdichte als bei der Forward-Konfiguration. Eine weitere Verbesserung der Vollbrücken-Topologie ist die Vollbrückenregelung mit Phasenverschiebung, die spannungsloses Schalten bietet, um die Schaltverluste zu reduzieren, die EMI-Störungen zu verringern und den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen.

Vollbrücke