Auswahl eines DC/DC-Wandlers

Feste oder variable Frequenz?

28. Oktober 2010, 09:14 Uhr   |  Robert Marchetti

Feste oder variable Frequenz?
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Bild 6: Auf einer Fläche von 16,5 mm x 22 mm wandelt ein PRM bis zu 400 W

Obwohl es nahezu unmöglich ist, die große Vielzahl aller verfügbaren Schaltungen in Erwägung zu ziehen, ist es trotzdem sinnvoll, die Vor- und Nachteile der beiden wichtigsten Topologien zu betrachten: feste und variable Schaltfrequenz. Im Folgenden soll ein Vergleich zwischen Pulsweitenmodulation mit fester Schaltfrequenz und quasiresonantem, stromlosem Schalten mit variabler Frequenz gezogen werden.

Lange Zeit wurden hohe Schaltfrequenzen und die damit verbundenen kleineren Induktivitäten und Kapazitäten in Schaltnetzteilen als der wichtigste Schlüssel zu mehr Leistungsdichte gesehen. Bei PWM-Wandlern (Pulsweitenmodulation) mit fester Schaltfrequenz steigt aber die Verlustleistung proportional mit der Schaltfrequenz, woraus sich ein Limit für die Frequenz und die erzielbare Leistungsdichte ergibt. Wandler mit variabler, frei schwingender Schaltfrequenz überwinden diese Barriere, indem der Ein- sowie der Ausschaltvorgang beim Nulldurchgang des Stromes erfolgen.

Damit lassen sich nicht nur Taktfrequenzen von über 1 MHz erzielen, sondern auch deutlich höhere Leistungsdichten im Vergleich zu Festfrequenzwandlern. Nichtsdestotrotz bleibt festzustellen, dass eine PWM-Schaltung etwas einfacher zu entwickeln ist als die Schaltung mit variabler Schaltfrequenz. Ein zweiter wichtiger Unterschied zwischen diesen Topologien besteht bei den durch die Schaltvorgänge erzeugten Störspannungen.

Intuitiv nehmen viele Entwickler an, ein Funkentstörfilter für einen Wandler mit fester Taktfrequenz sei einfacher zu entwerfen als für einen Typ mit variabler Frequenz. In Wirklichkeit ist jedoch genau das Gegenteil der Fall [1]. Diese Vorstellung wird aller Wahrscheinlichkeit nach durch den Ausdruck »feste Frequenz« geprägt, was jedoch irreführend ist.

In der Realität besitzen beide Topologien mehr oder weniger fixe sowie variable Anteile, die sich je nach den Betriebsbedingungen ändern.

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Bild 1: Stromverlauf und Spektrum eines PWM-Wandler mit fester Frequenz (oben) und einem frei schwingenden Wandler (unten), wobei die Kurvenformen nicht maßstabsgetreu sind

Feste Frequenz, viele Störungen

Bild 1 vergleicht die Stromverläufe sowie deren Frequenzspektren im Hauptschalter eines DC/DC-Wandlers. In einer quasiresonanten Topologie (unten) ist die Pulsweite T1 konstant, während sich die Zeit T2 der Wiederholrate ändert. Bei einem Festfrequenzwandler (oben) ist dies genau umgekehrt: Die Wiederholzeit ist konstant während die Pulsbreite variabel ist. Jede Topologie erzeugt daher ein jeweils typisches Frequenzspektrum der Störspannungen.

Bei einer Schaltung mit variabler Frequenz hat der Stromverlauf jedoch einen halbsinusförmigen Verlauf und es gibt daher keine Frequenzanteile, wie sie der Festfrequenzwandler durch das schnelle Ein- und Ausschalten T3 des Stromes generiert. Die Oberwellenanteile der frei schwingenden Schaltung haben daher kleinere Amplituden in einem engeren Frequenzband. Bei einem PWM-Wandler entfällt ein Großteil der Störenergie auf die Taktfrequenz und deren ungeradzahlige Oberwellen.

Bei einer Frequenz von 100 kHz liegt der Hauptanteil der leitungsgebunden Störungen bei 100 kHz mit weiteren Anteilen bei 300 kHz und 500 kHz. Durch die steilen Schaltflanken und die damit verbundenen Werte für den Stromanstieg di/dt in den parasitären Elementen des Wandlers werden weitere signifikante Störspannungen im Bereich von 10 MHz bis 30 MHz und höher erzeugt.

Der Entwickler muss daher das EMV-Filter so konzipieren, dass es die meiste Energie bei 100 kHz abblockt. Gleichzeitig muss bei einem Wandler mit fester Frequenz aber auch ein zusätzliches Störspektrum gefiltert werden, das deutlich höhere Amplituden enthält und sich über einen weiten Frequenzbereich der Oberwellen erstreckt. Um die Vorteile neuerer Architekturen, Topologien und Gehäuseformen zu nutzen, muss ein Entwickler sowohl die Applikation als auch die Technologie kennen.

Genau zu verstehen, was in der Anwendung benötigt wird, wirft ein neues Licht auf viele Eigenschaften und bestimmt Auswahl und Beweggründe. Die grundlegenden Kriterien für die richtige Selektion eines DC/DC-Wandlers haben sich nicht geändert. Bei der Entwicklung müssen immer noch die wichtigsten für die Applikation benötigten Parameter wie Ein- und Ausgangsspannungen, EMV-Bestimmungen, Wirkungsgrad und verfügbarer Platz definiert werden.

Je nach Applikation können auch die zur Verfügung stehende Entwicklungszeit, der Produktlebenszyklus, Sicherheitszulassungen, sowie die Kosten für das Produkt und dessen Einsatz eine Rolle spielen. Die Architektur der Stromversorgung verdient daher heute eine genauere Betrachtung.

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Bild 2: Bei einer zentralen Stromversorgung befindet sich das komplette Netzgerät in einem Gehäuse, wobei die Ausgangsspannungen über Leitungen an die jeweiligen Verbraucher gebracht werden

Architekturen im Überblick

Bei der »zentralen Stromversorgungsarchitektur « ist die komplette Stromversorgung in einem einzigen Gehäuse untergebracht, egal ob der Wandler eine feste oder eine variable Schaltfrequenz hat. Sie  einhaltet den vollständigen Eingangsteil sowie die entsprechenden DC/DC-Wandler (Bild 2).

Aus der  Netzspannung generiert die Stromversorgung alle im System benötigten Spannungen, die über Leitungen an die jeweiligen Lasten gebracht werden. Diese Lösung ist kostengünstig und benötigt wenig Platz auf der Leiterplatte, der besonders in der Nähe der Last sehr wertvoll sein kann. Da keine Serienschaltung  verschiedener Wandlerstufen zum Einsatz kommt, ist der Wirkungsgrad relativ gut.

Gleichzeitig konzentrieren sich Verlustwärme und EMV-Störungen in einem einzigen Gehäuse. Um Leitungsverluste zu minimieren, sollte eine zentrale Stromversorgung möglichst in der Nähe der Verbraucher angebracht sein, während für eine einfache Erfüllung der EMV und Sicherheitsanforderungen eine Montage möglichst am Netzeingang optimal ist. Diese divergierenden Anforderungen erfordern leider oftmals Kompromisse.

 

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