Elektronische Spannungswandler - MyWWW ZHAW · • Ähnlich Buck Converter • Energietransport...
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1 Elektronische Spannungswandler © Roland Küng, 2011
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Elektronische Spannungswandler
© Roland Küng, 2011
2
Übersicht
Power Factor Correction
3
Längsregler Review
engl. Series Voltage Regulator
• kein Taktsignal• kleiner Wirkungsgrad• i.A. (Vin –Vout) > 2V
Ausnahme: Low Drop Out LDO Regler
4
Längsregler Review
Beispiel: +10 V Regler
Gegenkopplung
OpAmp regelt linearEs gelten die Golden Rules !
Nachteil: (Vin – Vout) * ILast wird in Q1 verheizt
5
Längsregler Review
Aufgabe:Bestimmen sie Vout und Imax
L: +10 V , 0.7A
VBE = 0.7V
IOUTmax ≈ 0.7 / R4
mit Strombegrenzung
6
Querregler Review
engl. Shunt Voltage Regulator
• kein Takt• Vorteil:
kurzschlussfesttransientenfest
• Nachteil:interne Verluste, Strom(Vin-Vout)/ R1 fliesst immer
Gegenkopplungweil Q1 inv.
7
Querregler Review
Bsp.: +10 V Regler - Strom (Vin-Vout)/ R1 fliesst immer- Ploss wird immer in R1 verheizt- Nicht „bezogener“ Strom wird in Q1 verheizt
Aufgabe: Wie gross ist der Kurzschlussstrom ? Wie gross ist die Verlustleistung in Q1 bei Leerlauf ?
L: IS = 680 mA, PQ1 =2,3 W
15 V
Im geregelten Betrieb:Verlust in R1 unabhängig von Last:
Ploss = (Vin-Vout)2 / R1
8
Bsp. IC’s
TL431
einstellbarer Regler für kleine Ströme, einstellbare Spannungsreferenz
LM78XX
Series
Shunt
LM340
Spannungsversorgung bis 1A
9
Step-Down Schaltregler
engl.: Buck Regulatordt: Abwärtsregler
Hauptvorteil für Schaltregler: Wirkungsgrad erhöhenHauptnachteil: Takt benötigt, Takt-Ripple am Ausgang
DC restorer LC Filter
10
Step-Down Schaltregler
10...2RFIf
D)VV(RFL
outs
outin =⋅
⋅−⋅=
Lf
)D1(V
V81
C2
sout
outa
−
∆=
D = Vout/Vin
Duty Cycle: D = ton/(ton+toff)
Iout: Laststrom∆Vout: Ripplefs = 1/(ton+toff)RF: Reservefaktor
Strom iL soll nicht lücken
Takt-Ripple an Vout klein halten
11
Step-Down Schaltregler
Vout versucht zu sinken
Vout versucht zu steigen
Vout = Vref (R1+R2)/R2 = D·Vin
OpAmp in Gegenkopplung:
Genauer betrachtet: Anstelle OpAmp wird ein Regelverstärker verwendet
12
Step-Down: Detail
)VVRR
R(k REFDC
21
2 −+
13
Buck Converter: Regelung
A*(VREF - V0UT )
optional
14
Step-Up Schaltregler
engl.: Boost Regulatordt.: Aufwärtsregler
15
Step-Up Schaltregler
10...2RFVIf
DVRFL
outouts
2in =⋅⋅
⋅⋅=
outs
outa Vf
IDC
∆⋅
⋅=
1-D = Vin / Vout
Iout: Laststromfs = 1/(ton+toff)∆Vout: RippleRF: Reservefaktor
Duty Cycle: D = ton/(ton+toff)
Strom iL soll nicht lücken
Takt-Ripple an Vout klein halten
16
Bsp. IC’s
78S40 als Boost Converter beschaltetVout bis 40 V I0 bis 1.5 A
Dies sind spezialisierte Bauteile!Fragen sie den Hersteller und lesen sie die Application Notes.
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Bidirektionaler Wandler
2 Schalter in FET TechnologieS1 und S2 gegensinnig betätigt
Fall positiver Ausgangstrom
Lässt sich auch als Abwärtswandler nutzen, wenn man Ein- und Ausgang vertauscht
Anwendung: Batterie laden - entladen
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Simulationsübung 1T1 IRF620
+VS1 10
SD1 MBR6035
C1
R1
10
U1 40kDuty cycle T1/(T1+T2) 500m
R2
22
VF1 AM1
VF2
AM2
VF
3 L1
Dimensionieren sie diesen Konverter mit 10 V Eingang (ohne Regler):
• Für 5 V, Ripple 100 mV, Duty Cycle 50%, Takt 40 kHz, Reservefaktor 5• Berechnen sie L und C. Überlegen sie wie Strom iL und Spannungen Vout aussehen• Für die Transientenanalyse wählen sie Darstellung 100 ms bis 100.5 ms• Variieren sie L und C um 1 Dekade hinauf und hinab und vergleichen• Simulieren sie mit ursprünglichen LC-Werten für Tastverhältnis 10% und 90%• Simulieren sie mit ursprünglichen LC-Werten für eine Last von 100 Ω
! Tina def: T1 = off
L: 680uH, 3.3uF
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Inverswandler(1)
-Vout/Vin = D/(1-D)
10...2RFIf
DVRFL
outs
in =⋅
⋅⋅=
outs
outa Vf
IDC
∆⋅
⋅=
Erzeugt negative Spannungen
Duty Cycle: D = ton/(ton+toff)
20
Inverswandler(2)
Während der Leitphase sperrt die Diode D und es fließt ein Strom IL durch die Spule L. Dadurch baut sich ein Magnetfeld auf. In dieser Phase gibt es keine Energieübertragung, Speicherung im Luftspalt des Trafo.Der Verbraucher RLast versorgt sich aus dem Kondensator C.
Öffnet sich der Schalter S, so beginnt die Sperrphase . Der Strom IL kann sich nicht schlagartig ändern und fließt nun durch Diode D, lädt C nach und versorgt die Last, wobei sich eine negative Spannung über der Spule bildet.
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Inverswandler(3)
-Vout/Vin = D/(1-D)
Linearisierung der Kennlinie ist möglich, wenn fs veränderbar gemacht wird.toff bleibt dabei konstant aufwändig
Duty Cycle: D = ton/(ton+toff)
D
Wenig geeignet für hoheVervielfachung der negativen Spannung Regelung wird empfindlich
optimaler Bereich
22
Sperrwandler
• Ähnlich dem Invers Wandler• Energietransport während Sperrphase• Invertierender Trafo• Trafo trennt galvanisch
(engl. Flyback Converter)• Trafo kann um ü vervielfachen• Grosser Trafo mit Luftspalt
Luftspalt von L ist Hauptspeicher!
1D
D
üV
V
in
out
−=
L,C- Werte schätzen: wie für Invers Wandlermit ü⋅Vin statt Vin
Trafo mit ü=N2/N1 ü darf <1 oder >1 seinü-Wahl so, dass D ≈ 0.5
23
Eintakt Flusswandler (1)
• Ähnlich Buck Converter• Energietransport während Leitphase• Spannung wird im Trafo invertiert• Trafo trennt galvanisch
(engl. Flyback Converter)• Trafo kann um ü vervielfachen
DüV
V
in
out =L,C- Werte schätzen: wie für Invers Wandler mit ü⋅Vin statt Vin
…
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Eintakt Flusswandler(2)
Leitphase
Über Transistor T fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Transformators und ein übersetzter Strom durch die Diode D2 und die Speicherdrossel L.
Der Strom iL steigt, da sich in der Speicherdrossel L ein Magnetfeld aufbaut. Der Kondensator Ca wird aufgeladen. Die Dioden D1 und D3 sperren .
Sperrphase
Öffnet der Schalttransistor T, so wird Trafo über D1 entmagnetisiert (2. Spule führt iT weiter mit umgekehrtem Vorzeichen).
iD2 wird null, D2 sperrt, die Polarität der Spannung an L wechselt. Der Spulenstrom iL fließt nun über die Freilauf-Diode D3 weiter.Der Kondensator Ca wird aus der in L gespeicherten Energie weiter geladen. Der Kondensator Ca dient als Energiereservoir für die Last Ausgang.
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Gegentakt Flusswandler
Für den hohen LeistungsbereichComputernetzteile, Netzteile in Monitoren, Druckern und Fernsehgeräten …Entmagnetisierung entfällt da Trafo symmetrisch genutztNormaler Trafo (keine Speicher-L Funktion)
Alternative Funktions-Betrachtung: T1, T2 zerhacken DC, Trafo übersetzt, Zweiweggleichrichter mit Filterdrossel
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Sperrverzug Dioden
Schnelles Ausschalten der Dioden bestimmt Wirkungsgrad:• Fast Recovery Dioden mit kurze Sperr-Erholungszeit bei hoher Spannungsfestigkeit• SiC Schottky Dioden praktisch ohne Speicherzeit und bis 400 V (erst seit 2004)
Wandler mitz.B fs = 400 kHz
T= 1/fs = 250 ns
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DC/AC: Resonanzwandler(1)
Prinzip Bucherot-Schaltung
Bei der Wahl
wird IR unabhängig von R
LC
1f2 oo =π=ω
LjU
Io
Rω
=
Rechteck statt Sinus ergibt nur 4% Verluste Oberwellen vernachlässigbarDafür einfach herstellbar mit el. Schalter
Stromquelle !
fo
fo
28
Resonanzwandler(2)
Wahl niedriger Güte Q<2Ausgangstrom lässt sich durch Wahl der Frequenz verändernKennlinie recht gut linear oberhalb Resonanzfrequenz ωo
LC
1
C
LX 00 =ω=
Normierter Ausgangstrom
UI
CI
UL
0
R
R0 ω=
ω=
Normierte Taktfrequenz
0XR
Q =
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Resonanzwandler(3)
Realisierung der Rechteckspannung:
• H-Brücke mit 4 Transistoren: T1, T4 bzw. T2, T3 gleichzeitig geschaltet• Es dürfen nie alle 4 T leitend sein: ‚Break before Make‘ Schaltertechnik• Präzise Ansteuerung und hohe Schalt-Geschwindigkeit notwendig.• Typisch auf 45 % leitend eingestellt
auch Inverter genannt
30
Resonanzwandler(4)
Beispiele: Stromsparlampen, Hintergrundbeleuchtung Flachbildschirme, TFT, Solarstrom Wechselrichter…
Anwendung
Prinzip: selbstschwingend typ. 30…100 kHz, bis 600 V AC, einige 10 mA
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AC-DC Wandler(1)
Schlecht: • Strombezug ist stark nicht-sinusförmig (kurzes Nachladen Elko)• Hoher Oberwellenanteil! Gelangt aufs Netz und stört! Für Verbraucher über 75 W gibt es geltende Normen EN61000-3-2
Problem bei grossen Leistungen:
230 V Netz
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AC-DC Wandler(2)
• DC/DC1: Aufwärtswandler der gleichgerichteten Spannung auf 350..400VArbeitet als „Power Factor Corrector “ - Schaltung (PFC) so, dass der Netzstrom proportional zur Netzspannung ist.
• DC/DC2: Buck Typ: Stellt gewünschte DC Spannung her.
230 V Netz
Lösung gegen Oberwellenklein gross
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AC-DC Wandler(3)
z.B. Fairchild ML4821Literatur: Application Note Fairchild AN-42047
Tastverhältnis wird nicht konstant gehalten sondern über 50 Hz Halbperiode sinusförmig variiert, synchron zu Netzspannung
DC/DC 1:
Dies sind spezialisierte Bauteile. Fragen sie den Hersteller und lesen sie die Application Notes.
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AP
Ladungspumpe
SpannungsverdopplerVout = 2 Vin
Spannungs-InverterVout = -Vin
t1: S2 und S3 geschlossen Cp: Vint2: S1 und S4 geschlossen Cp: -Vin, Ca: 2 Vin
Nur für kleine Leistungen geeignet, η = 97%
Es geht – wenn auch beschränkt – ohne L
alle C‘s z.B. 10 uF
t1: S1 und S3 geschlossent2: S2 und S4 geschlossen
Für Verdoppler gilt:
e
a
e
a
e
a
U2U
Uf2QUfQ
PP
⋅=
⋅⋅∆
⋅⋅∆==η
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Ladungspumpe
SpannungsverdopplerUa = 2 Ue
t1: S2 und S3 geschlossen Cp: Ue
t2: S1 und S4 geschlossen Cp: -Ve, Ca: 2 Ve
Funktion
alle C‘s z.B. 10 uF
Ue
Ue
2Ue
Berechne Spannungsschleife Ua =2·Ue
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Bsp. Ladungspumpe
Linear Technology LTC 1517-5: Vin 2.7 – 5 V, Vout 5 V 30 mA LT1044: Doubler or Inverter
engl.: Charge Pump oderSwitched Capacitor Converter
Dies sind spezialisierte Bauteile. Fragen sie den Hersteller und lesen sie die Application Notes.
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Regelung für Schaltregler
Regler
38
Blockbild Regelstrecke
Am besten geeignet Proportional/Integral Regler: PI-Regler
Hohe Frequenzen werden wenig verstärkt Geschwindigkeit, StabilitätDC wird beliebig verstärkt kein Restfehler
zum FET vom Ausgang
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PI-Regler
CR21
2π
1
2
RR
2R ms10
Tiefe Frequenzen – hohe VerstärkungHohe Frequenzen – geringe Verstärkung
ω=+
−= jsCsR
CsR1)s(T
1
2
Bsp.
40
+
UNetzp 160
T IRF820
SD MBR1645
RLast 20
ULast
IT
TLast IRF540
LastEinAus 1k
LastEin
RLast 2
5V-Ref 1N4733
Rref 390
Uregler
-
++
Comparator LM318
ILade
+
Dreieck
+U6 15+
-Csieb 2.2m
Rb
RG 22
ZG 1N4746
C2 10n
N1 N2
L1 Induktivität 1mL2 Induktivität 10u
+U3 -15
Ra 1k
-
++
Buffer LM318
+U4 -15
+U5 15
Xpw m
R6 3k
R7
10k
10:1
Simulationsübung 2
Simulation eines 12 V / 100 W Sperrwandler. N2/N1 = 0.1, Vin = 160 Vp , Sperrwandler Schaltung ist bereits dimensioniert.Zeichnen sie das OpAmp Schema für den PI-Regler
41
Simulationsübung 2
+
UNetzp 160
T IRF820
SD MBR1645
RLast 20
ULast
IT
TLast IRF540
LastEinAus 1k
LastEin
RLast 2
-
++
Regler LM318
5V-Ref 1N4733
Rref 390
Uregler
-
++
Comparator LM318
ILade +
Dreieck
+U6 15
+-Csieb 2.2m
Rb
RG 22
ZG 1N4746
+U1 15
C2 10n
N1 N2
L1 Induktivität 1mL2 Induktivität 10u
R2
R3
+U2 -15
+U3 -15
Ra 1k
-
++
Buffer LM318
+U4 -15
+U5 15
R2 10kC1 1n
-
++
Diff Verstärker LM318
+U7 15
+U8 -15
R4 10k R5 10k
R1 10k
Uerror
Xpw m
R6 3k
R7
10k
Sperrwandler (primär getaktetes Schaltnetzteil)Eingang = 160V (110V-60Hz-Netz), Ausgang = 12V, 100W, Schaltfrequenz = 30kHzMit Voltage-Mode-Regelung
Dreieck: 30 kHz, +- 13 V,
R6, R7 verhindern 100% on von T
10:1
Design Rb für Vout = 12V
Design R2, R3 für
P-Verstärkung 200
und PI-Grenzfrequenz 400 Hz
Transient Sim 1ms…5ms
SperrwandlerSimpleReglerSim2010.TSC
42
+
UNetzp 160
T IRF820
SD MBR1645
RLast 2
ULast
IT
-
++
Regler LM318
5V-Ref 1N4733
Rref 390
Uregler
-
++
Comparator LM318
ILade +
Dreieck
+U6 15
+-Csieb 2.2m
Rb
RG 22
ZG 1N4746
+U1 15
C2 10n
N1 N2
L1 Induktivität 1mL2 Induktivität 10u
R2
R3
+U2 -15
+U3 -15
Ra 1k
-
++
Buffer LM318
+U4 -15
+U5 15
R2 10k
-
++
Diff Verstärker LM318
+U7 15
+U8 -15
R4 10k R5 10k
R1 10k
Uerror
Xpw m
R6 3k
R7
10k C1 1n
+ 20%Step
SW-SPST1
Sperrwandler (primär getaktetes Schaltnetzteil)Eingang = 160V (110V-60Hz-Netz), Ausgang = 12V, 100W, Schaltfrequenz = 30kHzMit Voltage-Mode-Regelung
Dreieck: 30 kHz, +- 13 V,
R6, R7 verhindern 100% on von T
10:1
Design Rb für Vout = 12V
Design R2, R3 für
P-Verstärkung 200
und PI-Grenzfrequenz 400 Hz
Simulationsübung 2
Mit/ohne C1R3 10k/20k
Transient Sim 1ms…5ms
SperrwandlerSimpleRegler_PISim2010.TSC
Schritt
400k
1.5k2k
43
Zusammenfassung
44
Zusammenfassung
45
Zusammenfassung
46
