Switch Mode Power Supply. wyrs, Switch Mode Power Supply 1

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1 Switch Mode Power Supply wyrs, Switch Mode Power Supply 1

2 Sekundär getaktet Primär getaktet wyrs, Switch Mode Power Supply 2 Switch Mode Power Supply Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, buck-converter, step-down-converter) Aufwärtswandler (Hochsetzsteller, boost-converter, step-up-converter) Invertierender Wandler (buck-boost-converter) Sperrwandler (flyback-converter) Eintakt-Durchflusswandler (single-transistor forward-converter) Halbbrücken-Durchflusswandler (two-transistors forward-converter) Vollbrücken-Gegentaktwandler (push-pull converter) Halbbrücken-Gegentaktwandler (single-ended push-pull converter) Gegentaktwandler mit Parallelspeisung Gegentakt-Resonanzwandler (resonant converter) Leistungsfaktor-Vorregelung, PFC (Power Factor Correction)

3 Switch Mode Power Supply 3 Motivation: Switch Mode Power Supply Im Vergleich zu analog geregelten Netzteilen (z.b. Linearregler) haben Schaltnetzteile bemerkenswerte Vorteile. Sie arbeiten theoretisch verlustlos, praktisch werden Wirkungsgrade von 70 bis 95% erreicht. Dies führt zu nur geringer Erwärmung und verbunden damit, zu hoher Zuverlässigkeit. Hohe Taktfrequenzen führen zu kleinen Bauteilgrössen und Gewicht. Daraus resultiert sehr gute Wirtschaftlichkeit in der Herstellung und im Betrieb. Quelle: Korries- Schmidt

4 Switch Mode Power Supply 4 Grundprinzip: Schaltnetzteile Schaltnetzteile arbeiten grundsätzlich alle nach dem gleichen Prinzip: Mittels eines «Schalters» (z.b. Transistor) werden Energieportionen mit einer hohen Taktfrequenz (20 und 300kHz) aus der Eingangsspannungsquelle entnommen. Das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit des Schalters bestimmt den mittleren Energiefluss. Am Ausgang jeden Schaltnetzteiles befindet sich ein Tiefpass, der den diskontinuierlichen Energiefluss glättet. Sowohl Schalter als auch Tiefpass arbeiten theoretisch verlustlos. Daraus resultiert der hohe Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen. Trotz des gemeinsamen Prinzips können Schaltnetzteile im Einzelnen jedoch sehr unterschiedlich konstruiert sein.

5 Schaltnetzteile: Primär- und sekundär getaktet Man unterscheidet zwischen sekundär - und primär getakteten Schaltnetzteilen. Sekundär getaktete Schaltnetzteile weisen keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang auf. Sie werden überall dort eingesetzt, wo bereits eine galvanische Trennung zur Netzspannung vorhanden ist, oder wo keine galvanische Trennung benötigt wird (z.b. bei Batteriebetrieb). Buck- und Boost-Converter sind sekundär getaktete DC-DC Wandler Buck-Converter Vollbrücken-Gegentaktwandler Primär getaktete Schaltnetzteile bieten eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Die Schalttransistoren arbeiten auf der Primärseite des Transformators. Die Energie wird mit einer hohen Taktfrequenz über einen Hochfrequenz- Transformator auf die Sekundärseite übertragen. wyrs, Switch Mode Power Supply 5

6 Switch Mode Power Supply 6 Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandler Leistungsfaktor-Vorregler Man unterscheidet unter den primär getakteten Wandlern die Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandler: Sperrwandler übertragen die Energie von der Primärseite zur Sekundärseite während der Sperrphase der Transistoren, Durchflusswandler übertragen während der Leitphase der Transistoren. Resonanzwandler benutzen einen Schwingkreis, um die Transistoren im Strom- oder Nulldurchgang schalten zu lassen, um auf diese Weise die Belastung der Halbleiter während des Schaltvorganges zu reduzieren. Die Leistungsfaktor-Vorregler (englisch: Power-Factor Pre-Regulator) zählen auch zu den Schaltnetzteilen. Sie sorgen dafür, dass der Netzstrom nahezu sinusförmig ist.

7 Switch Mode Power Supply 7 Abwärtswandler Tiefsetzsteller, buck-converter, step-down-converter Ua Ue Kurzschluss- und Leerlauffestigkeit leicht realisierbar Ansteuerung muss "floaten" Einsatzgebiet: Ersatz für analoge, längsgeregelte Netzteile

8 Switch Mode Power Supply 8 Abwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe Solange I L nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend), ist I L zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb. t D 1 T

9 Switch Mode Power Supply 9 Aufwärtswandler Hochsetzsteller, boost-converter, step-up-converter Ua Ue Nicht kurzschlussfest bei ungeregelter Ansteuerung nicht leerlauffest Einsatzgebiet: Batterieversorgung für Notebooks, Mobiltelefone, Photoblitze, etc.

10 Switch Mode Power Supply 10 Aufwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe Solange I L nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend), ist I L zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb. t D 1 T

11 Switch Mode Power Supply 11 Invertierender Wandler buck-boost-converter Ua < 0V Kurzschlussfestigkeit leicht realisierbar Bei ungeregelter Ansteuerung nicht leerlauffest Einsatzgebiet: Erzeugung einer zusätzlichen negativen Betriebsspannung aus einer gegebenen positiven.

12 Switch Mode Power Supply 12 Invertierender Wandler: Strom- und Spannungsverläufe U a U e T t1 t 1 U e 1 D D t D 1 T

13 Switch Mode Power Supply 13 Sperrwandler Flyback-converter Mehrere, galvanisch getrennte Ausgangsspannungen über einen Regler regelbar Leistung bis einige 100W, z.b. Fernsehgeräte, Personal-Computer, Drucker, etc.. Grosser Regelbereich (Weitbereichsnetzteil VAC möglich) Transistorsperrspannung U DS 2U e Sehr gute magnetische Kopplung notwendig Grosser Kern mit Luftspalt notwendig

14 Switch Mode Power Supply 14 Sperrwandler : Strom- und Spannungsverläufe U a U e N N 2 1 T t1 t 1 U e N N D D

15 Switch Mode Power Supply 15 Durchflusswandler Eintakt-Durchflusswandler Eine Variante des Durchflusswandlers ist der Eintakt-Durchflusswandler (englisch: single transistor forward converter) Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung Leistung bis ca. 1kW Transistorsperrspannung U DS 2U e Tastverhältnis t ein /T 0.5 Sehr gute magnetische Kopplung notwendig Kleiner Kern ohne Luftspalt

16 Switch Mode Power Supply 16 Eintakt-Durchflusswandler: Strom- und Spannungsverläufe U a U e N N 2 1 t1 T U e N N 2 1 D

17 Switch Mode Power Supply 17 Durchflusswandler Halbrücken-Durchflusswandler Eine Variante des Eintaktdurchflusswandlers ist der Halbbrücken-Durchflusswandler (englisch: two transistor forward converter) Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung Leistung bis einige kw Transistorsperrspannung U DS = U e Tastverhältnis t ein /T 0.5 Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig

18 Gegentaktwandler Vollbrücken-Gegentaktwandler Der Vollbrücken-Gegentaktwandler (englisch: Push-pull converter) ist für höchste Leistungen geeignet. Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung Leistung bis viele kw Transistorsperrspannung U DS = U e Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig Symmetrierungsprobleme wyrs, Switch Mode Power Supply 18

19 Switch Mode Power Supply 19 Gegentaktwandler: Vollbrücken-Gegentaktwandler I1 U a U e N N 2 1 t1 T U e N N 2 1 D

20 Switch Mode Power Supply 20 Gegentaktwandler Gegentaktwandler mit Parallelspeisung Eine Variante des Gegentaktwandlers ist Gegentaktwandler mit Parallelspeisung. Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung Leistung bis einige 100W Transistorsperrspannung U DS 2U e Kleiner Kern ohne Luftspalt Sehr gute magnetische Kopplung zwischen den Primärwicklungen notwendig Symmetrierungsprobleme

21 Switch Mode Power Supply 21 Gegentaktwandler Halbbrücken-Gegentaktwandler Eine Variante des Gegentaktwandlers ist der Halbbrücken- Gegentaktwandler (englisch: Single-ended push-pull converter). Die Kondensatoren C 1 und C 2 teilen die Eingangsspannung U e in zweimal U e /2. C 1 C 2 Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung Leistung bis einige kw Transistorsperrspannung U DS = U e Kleiner Kern ohne Luftspalt Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig Symmetrierungsprobleme

22 Switch Mode Power Supply 22 Resonanzwandler (resonant converter) Bei Resonanzwandlern (englisch: resonant converter) sorgt ein Resonanzkreis dafür, dass die Transistoren im Strom- oder Spannungsnulldurchgang ausgeschaltet werden können. Dadurch werden die Schaltverluste in den Transistoren, als auch die elektromagnetische Störungen vermindert. Man unterscheidet zwischen ZVS- und ZCS-Resonanzwandlern (ZVS: Zero Voltage Switching, ZCS: Zero Current Switching).

23 Switch Mode Power Supply 23 Gegentakt-Resonanzwandler Beispiel: ZCS (Zero Current Switching)-Gegentakt-Resonanzwandler Resonanzfrequenz : f LC Der Resonanzkreis wird von L und C gebildet.

24 Switch Mode Power Supply 24 Gegentakt-Resonanzwandler: Strom- und Spannungsverläufe U a U e N 2 N 2 1

25 Switch Mode Power Supply 25 Gegentakt-Resonanzwandler Vorteile vom ZCS (Zero Current Switching)-Gegentakt-Resonanzwandler gegenüber traditionellen Schaltnetzteilen: Leerlauf- und Kurzschlussfestigkeit funktionieren ohne elektronische Überwachung. Geringe Schaltverluste und elektromagnetische Störungen. Der ZCS-Gegentakt-Resonanzwandler kann wie der Sperrwandler mehrere Ausgangsspannungen über einen Regler regeln. Da mehrere Ausgangsspannungen auf der Primärseite des Transformators wie parallelgeschaltet erscheinen, fliesst die Energie immer in die niedrigste Ausgangsspannung.

26 Switch Mode Power Supply 26 Regelung von Schaltnetzteilen Die Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen wird mittels einer geschlossenen Regelschleife konstant gehalten. Der Regelkreis hat dabei die Aufgabe Netzschwankungen sowie Laständerungen auszugleichen. Man nennt dies Netzausregelung und Lastausregelung (englisch: Line regulation, Load regulation). Man unterscheidet zwei Regelverfahren: Die sogenannte voltage-mode- und die current-mode-regelung. Das voltage-mode-verfahren kann hierbei als "traditionelle" Schaltnetzteilregelung angesehen werden. Es ist heutzutage von der current-mode Regelung fast vollständig verdrängt. Moderne Schaltregler-ICs sind fast ausschliesslich current-mode Regler.

27 Switch Mode Power Supply 27 Voltage-mode-Regelung Die Ausgangsspannung U a wird über den Spannungsteiler R 1,R 2 mit der Referenzspannung U ref verglichen und über den PI-Regler verstärkt. Ein Pulsweitenmodulator (PWM) wandelt die Ausgangsspannung des PI-Reglers U 2 in eine pulsweitenmodulierte Spannung (Tastverhältnis: t 1 /T). Der Ausgang des Pulsweitenmodulators steuert den MOSFET.

28 Current-mode-Regelung Die Ausgangsspannung U a wird über den Spannungsteiler R 1,R 2 mit der Referenzspannung U ref verglichen und über den PI-Regler verstärkt. Die Spannung U 2 am Ausgang des PI-Reglers wird mit der rampenförmigen Spannung an dem Strommesswiderstand R i verglichen. Der Ausgang des Komparators setzt ein RS-Flip-Flop zurück und schaltet damit den MOSFET aus. Eingeschaltet wird der MOSFET von der positiven Flanke des Taktsignals (Clock), ausgeschaltet wird der FET, wenn die Rampenspannung an R i die Spannung U 2 erreicht. wyrs, Switch Mode Power Supply 28

29 Switch Mode Power Supply 29 Vergleich: Voltage- und Current-mode-Regelung Vereinfachtes Blockschaltbild für die current-mode-regelung Beim current mode-regler regelt der PI-Regler praktisch verzugslos den Drosselstrom und damit näherungsweise auch den Ladestrom des Ausgangskondensators. Die Regelstrecke besteht nur noch aus dem Kondensator C a und dem Lastwiderstand R L mit der Eingangsgrösse I D und der Ausgangsgrösse U a. Die Regelstrecke hat P T1 -Verhalten und Ausgleichsvorgänge beschreiben eine e-funktion.

30 Switch Mode Power Supply 30 Vergleich: Voltage- und Current-mode-Regelung Vereinfachtes Blockschaltbild für die voltage-mode-regelung Beim voltage-mode-regler wird das Tastverhältnis t 1 /T geregelt, d.h. die Spannung über L. Diese ändert erst den Drosselstrom und dann die Ausgangsspannung. Hier hat die Regelstrecke P T2 -Verhalten und Ausgleichsvorgänge beschreiben einen nur schwach bedämpften Einschwingvorgang 2.Ordnung, d.h. die Ausgangsspannung strebt sinusförmig dem Endwert zu. Der current-mode-regler zeigt damit deutlich besseres Regelverhalten. Dies ist der Grund, warum heutzutage fast ausschliesslich diese Regler eingesetzt werden.

31 Leistungsfaktor-Vorregelung Die europäische Norm EN definiert Grenzwerte für den Oberschwingungsgehalt des Netzstromes für Geräte, die für den Verkauf an die allgemeine Öffentlichkeit vorgesehen sind und die eine Wirkleistungsaufnahme von 75W haben. Dies bedeutet, dass die einfache Netzgleichrichtung mittels Brückengleichrichter und folgender Siebung vielfach nicht zulässig ist, weil der einen zu hohen Oberschwingungsgehalt aufweist. Quelle: Kories; Schmidt-Walter wyrs, Switch Mode Power Supply 31

32 Switch Mode Power Supply 33 Hochsetzsteller mit Leistungsfaktor-Vorregelung und Netzfilter gegen elektromagnetischen Störungen Netzfilter Leistungsfaktor-Vorregelung

33 Switch Mode Power Supply 34 Einige Grenzwerte der EN Norm Zulässige Effektivwerte der Netzoberschwingungsströme Oberschwingungsordnung n Wirkleistungsaufnahme 75 bis 600W Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes je Watt (ma/w) / Maximum (A) / / / / / Wirkleistungsaufnahme >600W Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes (A)

34 + wyrs, Switch Mode Power Supply 35 Beispiel: Oberwellen des Netzstromes + A U_Netz + AM1 A N1 TR1 N2 AM2 C + R_Last V VM1 P L =U 2 /R L 100W=ca /220

35 + wyrs, Switch Mode Power Supply 36 Beispiel: Oberwellen des Netzstromes + A U_Netz + AM1 A N1 TR1 N2 AM2 C + R_Last V VM1 P L =100W

36 Switch Mode Power Supply 37 Leistungsfaktor-Vorregelung Um den Netzstrom näherungsweise sinusförmig zu halten, benutzt man z.b. einen Aufwärtswandler. Diesen nennt man dann Leistungsfaktor-Vorregler (Power Factor Pre-Regulator). Als Abkürzung ist auch PFC (Power Factor Correction) gebräuchlich.

37 Switch Mode Power Supply 38 Leistungsfaktor-Vorregelung Für die Regelung und Steuerung des Schalttransistors stehen diverse integrierte Schaltkreise (PFC-Controller) zur Verfügung. Es werden grundsätzlich zwei Regelkreise benötigt: Der erste Regelkreis, regelt den Eingangsstrom so, dass er proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung ist. Denn wenn dieser Strom der sinusförmigen Eingangsspannung folgt, ist auch der Netzstrom sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung, und dementsprechend ist der Leistungsfaktor gleich Eins. Stromregelkreis. Ein zweiter Regelkreis wird benötigt, der den Effektivwert des Drosselstromes so führt, dass die mittlere Ausgangsspannung des Leistungsfaktor-Vorreglers trotz unterschiedlicher Ausgangsleistung konstant bleibt. Spannungsregelkreis.

38 Switch Mode Power Supply 39 Leistungsfaktor-Vorregelung Detaillierte Funktionsweise siehe Kories, Schmidt-Walter.

39 Switch Mode Power Supply 40 PFC-Controller Netzfilter PFC-Controller Netzfilter Standard- und Medizinalversion, IEC 60939, IEC , UL 1283, UL 544, CSA C22.2 no. 8

40 Switch Mode Power Supply 41 Beispiel: Netzfilter (Funkentstörfilter ) Netzfilter (Funkentstörfilter) zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen.

41 Switch Mode Power Supply 42 Zusammenfassung Schaltnetzteile erreichen hohe Wirkungsgrade von 70 bis 95% und haben darum geringer Erwärmung und eine hohe Zuverlässigkeit. Hohe Taktfrequenzen bewirken zu kleinen Bauteilgrössen was in einer sehr guten Wirtschaftlichkeit führt. Es gibt sekundär - und primär getaktete Schaltnetzteilen. Sekundär getaktete Schaltnetzteile weisen keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang auf. Die Leistungsfaktor-Vorregler sorgt dafür, dass der Netzstrom nahezu sinusförmig ist.