ANP021: Sicheres, zuverlässiges Design Nichtisolierter Offline- Wandler mit 400 VDC Hochvolt Speicherdrosseln

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Sicheres, zuverlässiges Design Nichtisolierter OfflineWandler mit 400 VDC Hochvolt Speicherdrosseln
ANP021 VON CHRISTOPHER RICHARDSON
1. Einleitung _________________________________________________
Zwar bietet die Mehrzahl der AC-Offline-Wandler und Schaltwandler, die mit (nach Definition von
Sicherheitsstandards wie IEC-60950) gefährlichen Spannungen von über 60 VDC betrieben werden, aus
Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung, doch gibt es auch zahlreiche Anwendungen, bei denen
nichtisolierte Schaltungen verwendet werden können. Dort, wo Benutzer und Wartungspersonal mechanisch
vor einem Kontakt mit gefährlichen Spannungen geschützt sind oder sowohl Eingangs- als auch
Ausgangsspannung sich auf der Primärseite eines isolierten Wandlers befinden, sind Buck- und BuckboostWandler häufig effizienter, benötigen weniger Leiterplattenfläche und kosten in der Implementierung weniger
als Sperrwandler. Sperrwandler sind zweifelsohne die kostengünstigste Option für isolierte Schaltungen und
können natürlich auch nichtisoliert sein. Allerdings ist für den Sperrwandler sogar bei Leistungen von 5 W und
darunter ein Sperrwandler Übertrager mit variablen Wicklungsverhältnissen, je nach Eingangs- und
Ausgangsspannung, Ausgangsstrombereich und Schaltfrequenz, erforderlich. Würth Elektronik eiSos hat
verschiedene Produktreihen mit gebrauchsfertigen Sperrwandler Übertrager im Sortiment. Wenn eine
Isolierung der Schaltung nicht notwendig ist, bieten sich Buck- und Buckboost-Wandler an, für die es eine
wesentlich größere Auswahl an Speicherdrosseln gibt, die zudem häufig kostengünstiger sind.
2. Drei allgemeine Topologien __________________________________
Die Abbildungen 1a, 1b und 1c zeigen drei Topologien, bei denen herkömmliche Speicherdrosseln zur
Energiespeicherung in Offline-Schaltungen bei universeller AC-Eingangsspannung (85-265 VAC) bzw.
europäische Netzspannung (195-265 VAC) zum Einsatz kommen. Hierbei nähert sich die
Spitzengleichspannung nach der Gleichrichtung einem Wert von 400 VDC an. Anders als bei zum Filtern
verwendeten Drosseln, sehen die Speicherdrosseln in diesen drei Schaltungen Differenzspannungen, die die
Größenordnung der Spitzeneingangsspannung entsprechen oder sogar übertreffen. Würth Elektronik eiSos
bietet drei Produktreihen an Speicherdrosseln mit insgesamt sechs Baugrößen in geschirmter und
ungeschirmter Oberflächenmontage- wie auch Durchsteckmontagetechnologie an, die speziell für den
sicheren Betrieb bei Differenzspannungen bis 400 VDC ausgelegt sind.
Abb. 1a: Buck-Wandler
Abb. 1b: „Potenzialfreier“ Buck-Wandler
Abb. 1c: Buckboost-Wandler
Abbildung 1a zeigt einen Standard-Buck-Wandler mit einem Einweggleichrichter, der die Verwendung des
Nullleiters der AC-Eingangsleitung als Bezugserde verwendet. Die Ausgangsspannung VOut und die
Eingangsspannung verwenden wie bei nichtisolierten Gleichspannungswandlern und niedrigen Spannungen
üblich, dieselbe Bezugserde. Dies macht diese Schaltung ideal für die Erzeugung von Betriebsspannungen
für ICs, die auf der Primärseite eines AC/DC-Wandlers massebezogen sind; dies gilt für analoge Schaltungen
wie Netzteilsteuerungen und Gate-Treiber ebenso wie für Mikrocontroller und Interfaceschaltungen. Der
wesentliche Nachteil eines normalen Buck-Wandlers, der bei 400 VDC betrieben werden kann, besteht darin,
dass der Steuerschalter potenzialfrei ist („in the high side“). Die Fläche des Siliziumchips (und daher auch die
Kosten) machen die Verwendung von N-Kanal-MOSFET-Schaltern unumgänglich, weswegen der Steuer-IC
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entweder Hochspannungssilizium verwenden oder eine Schaltung zur Potenzialverschiebung integrieren
muss. Verschiedene Hersteller bekannter Power-Management-ICs bieten nun kombinierte Steuer- und
HV MOSFET-Chips an, die die Steuerung und Potenzialverschiebung erheblich vereinfachen und diese
Topologie so in den Bereich des Möglichen bringen.
Abbildung 2: HV-Buck-Wandler im CCM mit L1 = 3,3 mH. V IN = 230 Veff, VOUT = 12 V, IO = 150 mA
K.1 (gelb) = Schaltknoten, K.2 (blau) = VOUT K.M (rot) = ΔvL1, K.4 (grün) = IL1
Abbildung 3: HV-Buck-Wandler im DCM mit L1 = 470 µH. V IN = 230 Veff, VOUT = 12 V, IO = 150 mA
K.1 (gelb) = Schaltknoten, K.2 (blau) = VOUT K.M (rot) = ΔvL1, K.4 (grün) = IL1
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Abbildung 1b zeigt eine alternative Buck-Wandlertopologie, bei der der Steuerschalter massebezogen ist.
Grundsätzlich ist diese Topologie aufgrund des leichteren Antriebs eines massebezogenen N-MOSFETSchalters einfacher zu implementieren. Es können dieselben kombinierten Steuer- und HV MOSFET-Geräte
verwendet werden, von denen einige eine Eingangsspannung von 400 VDC direkt bewältigen können,
während andere eine Niederspannungsversorgung für ihre Steuerbereiche benötigen, die sich normalerweise
im Bereich zwischen 12 und 24 VDC bewegt und mit einem diskreten Linearregler erzeugt wird.
Diese Topologie ist ein „negativer Buck-Wandler“, der zur Abwärtsstellung einer negativen Eingangsspannung
auf eine negative Spannung mit niedrigerem Absolutwert verwendet wird. Wird hingegen eine positive
Eingangsspannung angelegt (siehe Abbildung 1b), dann spricht man von einem „potenzialfreien“ oder auf die
Eingangsspannung bezogenen Buck-Wandler, was der Tatsache geschuldet ist, dass die Ausgangsspannung
bezogen auf Eingangsschiene gesteuert wird. Die beiden wesentlichen Anwendungen für diese Topologie sind
der Einsatz als Stromquellen für LED-Treiber und die Verwendung als Spannungsregler für Systeme mit
niedriger Leistungsaufnahme, bei denen keine andere Schaltung auf Primärseite einen Massebezug benötigt.
Ein gutes Beispiel wäre ein kleines netzspannungsbetriebenes Kommunikationsgerät, bei dem der
Mikrocontroller und eine isolierte Interfaceschaltung beide über die in Abbildung 1b als „VLED“ gekennzeichnete
Spannung betrieben werden.
Abbildung 1c zeigt einen Buckboost-Wandler, der eine negative Ausgangsspannung bezogen auf die negative
Eingangsschiene entwickelt. Typische Anwendungen für eine solche Topologie sind etwa negative
Spannungen für den Betrieb von Operationsverstärkern und auch für die Steuerung von Triacs, mit denen die
Netzspannung bei Schaltungen auf der Primärseite ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Zwei Details, die bei Buckboost-Wandlerschaltungen Aufmerksamkeit beanspruchen, sind die zusätzliche
Spannungsbeanspruchung in MOSFET, Ausgangsdiode und Spule in einer Größenordnung von VINPK + |VO|
und zudem der unstetige hohe Effektivstrom am Ausgangskondensator, der dem am Ausgang in einem
Sperrwandler ähnelt.
3. Kriechstrecke und Luftstrecke bei nichtisolierten Anw endungen __
Sicherheitsstandards wie IEC-60950 sind in ihren Aussagen zu Luft- und Kriechstrecken zwischen isolierten
Primär- und Sekundärschaltungen, zwischen dem Netzspannungs- und dem Neutralleiter und zwischen
diesen Punkten und der Schutzerdung ziemlich eindeutig. In Bezug auf andere Spannungen sind die meisten
Standards deutlich schwieriger zu interpretieren, beispielsweise bei den positiven und negativen Ausgängen
eines Diodengleichrichters, die die Eingangsspannung von AC-Offline-Schaltungen bilden. Die
Isolierungskategorie für Spannungsknoten in nichtisolierten Schaltungen ist die Funktionstrennung, d. h., der
Abstand zwischen den Knoten ist stets ausreichend groß, um eine ordnungsgemäße Funktion zu
gewährleisten. Eine gängige Vorgehensweise zur Festlegung von Richtlinien für das Leiterplattenlayout und
zur Bewertung des physischen Aufbaus einer Speicherdrossel besteht darin, einen Einschwingspannungstests durchzuführen und zu kontrollieren. Beispielsweise wird bei IEC-60950-kompatiblen Geräten,
die mit Spannungen bis zu 300 VACeff betrieben werden, mit 1500-VDC-Impulsen getestet, wenn es sich um
Klasse-1-Geräte mit Schutzerde handelt, oder mit 2500 VDC bei Klasse-2-Geräten ohne Schutzerde.
300 VACeff schließt die Mehrzahl der AC- und HVDC-Anwendungen ein, bei denen nichtisolierte Buck- und
Buckboost-Wandler mit niedriger Leistungsaufnahme verwendet werden. Ein Durchschlag zwischen
Leiterplatten lässt sich in den meisten Feuchtigkeits-, und Verunreinigungsklassen vermeiden, wenn eine
Luftstrecke von 1 mm je 1600 VDC eingehalten wird. (Dies wird von der UL auch empfohlen.) Zahlreiche
Netzteilkonstruktionen verwenden Klasse-2-Bewertungen der Kriech- und Luftstrecken auch dann, wenn sie
aus sicherheitstechnischen Erwägungen eigentlich zur Klasse 1 gehören. Deswegen sollte zur
Durchschlagvermeidung bei Einschwingspannungstests mit 2500 VDC ein Abstand von mindestens ca. 1,6 mm
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zwischen den Pads oder Anschlüssen der Spule eingehalten werden. Bei allen drei in Abbildung 1 gezeigten
Topologien ist eine Seite der Spule mit einer festen Spannung verbunden, während die andere Seite häufig
als „Schaltknoten“ bezeichnet wird, weil ihre Spannung sich zwischen null und VIN (beim Buck- bzw. beim
potenzialfreien Buck-Wandler) bzw. zwischen null und (VIN + |VO|) beim Buckboost-Wandler hin und her
schaltet. Wird ein Abstand von 1,6 mm vom Schaltknoten zu den anderen Knoten in der Schaltung eingehalten,
so ist dies nicht nur zur Durchschlagsvermeidung bei Einschwingspannungstests praktisch, sondern reduziert
auch die kapazitive Kopplung und ist besonders nützlich zur Verringerung von Gleichtaktstörungen, sofern
Leiterbahnen oder Lagen mit Erdung auf der Leiterplatte vorhanden sind.
Abbildung 4: Luftstrecken zwischen Pads bzw. Drähten bei den Baureihen WE-PD2 HV, WE-PD HV und WE-TI HV
Abbildung 4 stellt das jeweils kleinste Mitglied der drei HV-Drosselbaureihen dar und zeigt, dass bei jedem
dieser Bauteile mehr Luftstrecke als genug zwischen den elektrischen Verbindungen vorhanden ist, um ein
Durchschlagen bei 2500 VDC zu verhindern. Die Magnetkerne der Drosseln (und Transformatoren) sind
leitfähige Komponenten im Sinne von IEC-60950 und deswegen der Kategorie „Funktionstrennung“
zugeordnet.
4. Gefahren bei der Verw endung von Standarddrosseln ____________
Es ist gängige Praxis, Speicherdrosseln derselben Baureihe für Durchsteck- und Oberflächenmontageanwendungen sowohl als Energiespeicherelemente in DC/DC-Niederspannungsanwendungen (unter 60 VDC)
als auch als Eingangs- und Ausgangsfilter in Offline-Anwendungen einzusetzen. Ein wesentlicher, als auch
häufig übersehener Faktor bei diesen beiden Anwendungen besteht in der Nennspannung der Drosseln.
Tatsächlich ist die Nennspannung bei der großen Mehrheit aller Speicherdrosseln nicht in den Datenblättern
angegeben. Hersteller hochwertiger Komponenten können diese Angabe auf Anfrage bereitstellen, oder sie
geben Informationen zur Stärke der aufgebrachten Lackschicht oder zu anderen Details des mechanischen
Aufbaus an. Allerdings ist die Zeit, die für die Berechnung der Spannung benötigt wird, die eine gegebene
Drossel aushalten kann, mit den rasanten Konstruktionszyklen unserer Zeit überhaupt nicht in Einklang zu
bringen.
Wenn bei der Konstruktion von Schaltungen die Zeit drängt, könnte man versucht sein,
Standardspeicherdrosseln zu verwenden. Abbildung 5 zeigt jedoch die unschönen Folgen, die bei
Verwendung solcher Komponenten in HV-Anwendungen auftreten können: Durchbruch des Isolierlacks,
Kurzschlüsse zwischen benachbarten Wicklungen – kurz: Ausfälle eines Bauteils, das normalerweise zu den
robustesten eines Schaltwandlers gehört. Eine kurzgeschlossene Drossel – und zwar vor allem eine, bei der
es während des Schaltzyklus zu einem Kurzschluss zwischen Netz- und Nullleiter kommt – stellt grundsätzlich
ein Sicherheitsrisiko für Bediener und Wartungspersonal dar. Für Stromschläge, Verletzungen oder womöglich
sogar Todesfälle, die infolge dessen auftreten, kann der Hersteller des Endproduktes haftbar gemacht werden.
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Abbildung 5: Durchschlag und Kurzschlüsse aufgrund von Überspannung bei einer Standardspeicherdrossel
Bei Speicherdrosseln der Baureihen WE-PD HV, WE-PD2 HV und WE-TI HV garantiert Würth Elektronik eiSos
gemäß internem Standard 1516 einen ordnungsgemäßen Betrieb bis 400 VDC. Diese Garantie gilt auch noch
nach drei Reflow-Vorgängen – etwas Umfassenderes in Sachen Gewährleistung bietet kein anderer Hersteller
weltweit.
5. Konstruktionsbeispiele für den kontinuierlichen Modus (CCM) ____
Ein Betrieb im CCM (Continuous Conduction Mode), in dem der Spulenstrom während des gesamten
Schaltzyklus stets über Null bleibt, bietet den Vorteil niedrigerer Effektivströme nicht nur in der Drossel selbst,
sondern auch in allen anderen Bauteilen des Versorgungsstrangs. Niedrigere Effektivströme haben eine
geringere Verlustleistung, niedrigere Betriebstemperaturen und weniger elektromagnetische Störungen (EMI)
zur Folge. Der wesentliche Nachteil ist die hohe erforderliche Induktivität, die wiederum die Verwendung
physisch größerer Drosseln notwendig macht, die aber als Katalogprodukte überhaupt nicht erhältlich sind.
Die unten beschriebenen Konstruktionsbeispiele erfüllen die folgenden Anforderungen und verwenden dazu
den IC ViPER16L von ST Microelectronics:
Buck und potentialfreier Buck
Buckboost Wandler
VIN = 360 V bis 400 V
VIN = 360 V bis 400 V
VOUT = 12,0 V, ∆vO = 120 mVP-P
VOUT = -12,0 V, ∆vO = 120 mVP-P
IO-MAX = 200 mA, stetig
IO-MAX = 200 mA, stetig
Schaltfrequenz fSW = 60 kHz
Schaltfrequenz fSW = 60 kHz
POUT = 2,4 W
POUT = 2,4 W
5.1.
Die Speicherinduktivität
Magnetische Bauteile bilden das Herz jedes Schaltwandlers und liefern in diesem Beispiel 2,4 W, mit denen
ein Vollbrückenwandler mehrere Kilowatt Leistung bereitstellt. Abseits der Topologie besteht die gängigste
Vorgehensweise zur Auswahl der erforderlichen Induktivität im CCM in der Angabe eines die Spule
durchfließenden Rippelstroms ΔiL als prozentualen Anteil des maximalen durchschnittlichen Spulenstroms
IL-MAX. Wenn man ΔiL auf einen Wert von 20 % bis 40 % von IL-MAX setzt, kommt man zu einem guten
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Kompromiss, der sich bei zahllosen Schaltwandlerkonstruktionen bewährt hat. Man erzielt so ein
ausgewogenes Verhältnis zwischen der Größe (ein höherer Rippelstrom erfordert weniger Induktivität und
folglich kleinere Drosseln) und Effizienz/Störungen (kleinere Rippelströme führen zu niedrigeren
Effektivströmen und weniger EMI).
Bei Buck-Wandlern gilt IL-MAX = IO-MAX, wobei die potenzialfreie Variante genau die gleiche
Konstruktionsgleichung wie der Standard-Buck-Wandler aufweist. Bei Buckboost-Wandlern ist der
durchschnittliche Spulenstrom eine Funktion von Tastgrad und Ausgangsstrom. Die Gleichungen erster
Ordnung für eine Welligkeit von 30 % lauten:
Buck und potentialfreier Buck
DCCM  B 
Buckboost Wandler
VOUT
12

 0,033 GL. 1
VIN  MIN 360
I LMAX  IOMAX  0,2A
DCCM  BB 
L min
BUCK
 0 . 033
V IN  MIN  VOUT
I L  MAX 
GL. 3
 i L  0 . 3  I L  MAX  0 . 06 A P  P GL. 5
L min BUCK  DCCM  B
VOUT

12
 0,032 GL. 2
360  12
I O  MAX
0,2 A

 0,206 A GL. 4
1  DCCM  BB 0,968
 i L  0 . 3  I L  MAX  0 . 06 A P  P GL. 6
VIN  MIN  VOUT
GL. 7
i L  f SW
360 V  12V
 3 .2 mH
0 .06 A  60 kHz
L min BUCKBOOST  DCCM  BB
L min BUCKBOOST  0 .032
VIN  MIN
GL. 8
i L  f SW
360 V
 3 .2 mH
0 .06 A  60 kHz
Der nächsthöhere E12-Wert beträgt 3,3 mH und wird als L1 bezeichnet. Wenn dieser Wert ausgewählt ist,
lassen sich der tatsächliche Rippelstrom der Drossel und dann auch der Spitzenspulenstrom IL-PK
berechnen:
Buck und potentialfreier Buck
iL BUCK  DCCM  B
iL BUCK  0,033
Buckboost Wandler
VIN  MIN  VOUT
GL. 9
L1 f SW
i L BUCKBOOST  DCCM  BB
360V  12V
 0,058APP
3,3mH  60kHz
I L  PK  I L 
I L  PK  BUCK  0 , 2 A 
iL
GL. 11
2
0, 058 A
 0 , 23 A
2
i L BUCKBOOST  0,032
VIN  MIN
GL. 10
L1  f SW
360V
 0,058APP
3,3mH  60kHz
(bei Buck- und Buckboost-Wandler identisch)
I L  PK  BUCKBOOST  0 , 206 A 
0 ,058 A
 0 , 24 A
2
Wenn Induktivität sowie Durchschnitts- und Spitzenstrom berechnet sind, lassen sich die geeigneten Drosseln
aus dem Würth Elektronik eiSos Katalog auswählen. In diesem Beispiel bietet sich das Modell 7687709332
aus der Baureihe WE-PD HV an: eine geschirmte Bauform mit 3,3 mH, die speziell für 400-VDC-Anwendungen
ausgelegt ist, mit einem Effektivnennstrom von 0,37 A sowie einem Spitzennennstrom von 0,52 A. Die
Komponente ist zur Oberflächenmontage geeignet und bietet sich vor allem für doppelseitige Leiterplatten an,
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auf denen bereits andere SMD-Schaltungen vorhanden sind. Bei kostengünstigeren Anwendungen werden
zwar häufig einseitige Leiterplatten und eine reine Durchsteckmontage bevorzugt, doch wird der prinzipielle
Nachteil des CCM-Betriebs in diesem Fall deutlich: Es sind schlicht keine HV-Durchsteckkomponenten für
3,3 mH erhältlich.
5.2.
Die CCM-DCM-Grenze
Die obigen Beispielschaltungen können bei niedrigen Induktivitätswerten durchaus im CCM betrieben werden.
Die WE-TI HV-Baureihe 768772x umfasst hierfür eine 2,2-mH-Komponente (768772222), die für einen
Durchschnitts- wie auch Spitzenstromwert von 0,32 A ausgelegt ist und perfekt funktionieren wird – wenn auch
mit einem höheren Peak-to-Peak-Rippelstrom. Der tatsächliche Grenzwert ist erreicht, nach dessen
Überschreiten ein CCM-Betrieb nicht mehr möglich ist, wenn der Peak-to-Peak-Rippelstrom exakt dem
Doppelten des Spulenstroms entspricht (Abbildung 6). Beachten Sie, dass das Erfassen von Nullstellen beim
Spulenstrom aufgrund einer Kombination aus Schaltfrequenz-Jitter und Eingangsspannungsrippel schwierig
ist, weil die Schaltung die DCM-CCM-Grenze bei jedem Zyklus erst unter- und dann wieder überschreitet.
Abbildung 6: HV-Buck-Wandler an der CCM-DCM-Grenze mit L1 = 2,2 mH. VIN = 230 Veff, VOUT = 12 V, IO = 57 mA
K.1 (gelb) = Schaltknoten, K.2 (blau) = VOUT K.M (rot) = ΔvL1, K.4 (grün) = IL1
Der Punkt, an dem der Spulenstrom am Ende jedes Schaltzyklus genau null erreicht, wird häufig als BCM
(Boundary Conduction Mode) bezeichnet. Er lässt sich mathematisch wie folgt definieren:
Buck und potentialfreier Buck
LBCM  B 
VO
VIN  VO

GL. 12
VIN 2  f SW  I O MAX
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Buckboost Wandler
L BCM  BB 
 VO
V IN
GL. 13

VO  V IN 2  f SW  I O  MAX
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L BCM  B 
12V
360V  12V

 483  H
360V 2  60 kHz  0 .2 A
L BCM  BB 
360
 12

 517  H
12  360 2  60 kHz  0 .2 A
Diese Gleichungen zeigen die Induktivitätswerte, oberhalb derer die Wandler im CCM betrieben würden, wenn
sie ihren maximalen Nennstrom unter Last liefern. Bei nichtsynchronen Wandlern wird dabei immer ein
Schwellenwert beim Ausgangsstrom vorhanden sein, bei dessen Unterschreiten der Wandler unabhängig von
der Größe der Induktivität vom CCM in den DCM wechselt. Am DCM ist dabei nichts Schlimmes, sondern ein
Betrieb in diesem Modus im Volllastbereich ist bei nichtisolierten HV-Anwendungen sogar häufiger
anzutreffen. Wurde bei CCM-Wandlern die tatsächliche Induktivität ausgewählt, dann können die Gleichungen
GL. 12 und GL. 13 so umgeschrieben werden, dass sie den BCM-Grenzwert als Funktion des Laststroms
darstellen. Bei einer exemplarisch gewählten 2,2-mH-Drossel würden sie dann wie folgt lauten:
Buck und potentialfreier Buck
Io BCM  B 
VO
V  VO
 IN
GL. 14
V IN 2  f SW  L1
Io BCM  B 
12V
360V  12V

 44 mA
360 V 2  60 kHz  2 .2 mH
Buckboost Wandler
IoBCM  BB 
Io BCM  BB 
VIN
 VO

GL. 15
VO  VIN 2  f SW  L1
360
 12

 47 mA
12  360 2  60 kHz  2 .2 mH
6. Konstruktionsbeispiel für den DCM-Modus _____________________
Im DCM fällt der Strom in der Speicherdrossel zum Ende jedes Schaltzyklus hin auf null ab. Um im DCM
betrieben werden zu können, muss der Schaltwandler deswegen entweder eine Diode als ungesteuerten
Schalter verwenden oder den synchronen MOSFET aktiv steuern, um einen Stromfluss in Gegenrichtung (also
von Drain zu Source) zu vermeiden. Aus Kostengründen wird in solchen Szenarios in aller Regel eine Diode
eingesetzt, während beim Betrieb mit Spannungen über 200 VDC ein ultraschneller PN-Gleichrichter die
bevorzugte Technologie.
Der wesentliche Vorteil des DCM besteht darin, dass die Induktivität niedriger sein muss, um zu gewährleisten,
dass der Wandler auch bei höchster Last im DCM verbleibt. Eine niedrigere Induktivität erfordert einen
kleineren Kern und gestattet folglich kleinere und somit preiswertere Drosseln. Ein zweiter Vorteil des DCM
sind die niedrigeren Schaltverluste im Steuer-FET, da der Strom in der Drossel beim Einschalten immer null
ist.
Nachfolgend sind Konstruktionsbeispiele für einen Buck-Wandler, einen potenzialfreien Buck-Wandler und
einen Buckboost-Wandler im DCM beschrieben. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei denen des
CCM-Beispiels aus dem vorherigen Abschnitt.
6.1.
Ausw ahl der Speicherdrossel
Dieselben Gleichungen, mit denen wir die Grenze zwischen DCM- und CCM-Betrieb ermittelt haben, werden
nun zur Auswahl der Induktivität für den DCM verwendet; der einzige Unterschied besteht darin, dass hiermit
nun eine maximal zulässige Induktivität festgelegt wird. Hier also noch einmal die Gleichungen GL. 14 und
GL. 15:
Buck und potentialfreier Buck
L MAX  B 
12V
360 V  12V

 483  H
360 V 2  60 kHz  0, 2 A
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Buckboost Wandler
L MAX  BB 
360
 12

 517  H
12  360 2  60 kHz  0 , 2 A
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In der Theorie müsste jeder Wert unterhalb von LMAX funktionieren; weil aber Induktivität und Spitzenstrom
umgekehrt proportional zueinander sind, ist es in der Praxis am besten, den nächstniedrigeren Standardwert
auszuwählen, um zu verhindern, dass der Spitzenstrom übermäßig hohe Werte einnimmt. Ein E12Standardwert von 470 µH funktioniert in beiden Konstruktionen einwandfrei. Um nun das passende
Bauelement aus einem Katalog auswählen zu können, müssen wir die Spitzenströme für die jeweilige
Topologie berechnen. Spitzen- und Peak-to-Peak-Rippelstrom sind im DCM gleich, und zur Berechnung
dieses Wertes muss zunächst der Tastgrad ermittelt werden. Wenn der tatsächliche Spulenwert ausgewählt
ist, ist auch die bei jedem Schaltzyklus die vom Eingang zum Ausgang übertragene Energiemenge bekannt,
und der Tastgrad des Steuer-FET kann für jede Topologie berechnet werden:
Buck und potentialfreier Buck
DDCM  B
Buckboost Wandler
2  f SW  L1
V
RO
 O 
GL. 16
VO
VIN
1
VIN
D DCM  BB 
VO
2  f SW  L1
GL. 17

V IN
RO
(Lastwiderstand RO = (VO ÷ IO-MAX) = 12 V ÷ 0,2 A = 60 Ω für beide Topologien)
D DCM  B
12V


360V
2  60 kHz  470 H
60
 0,033
12
1
360
DDCM  BB 
12V
2  60kHz  470H

 0,032
360V
60
Der nächste Schritt besteht in der Berechnung der Spitzenspulenströme:
I L  PK  B 
I L  PK  B 
(V IN  VO )  DDCM  B
f SW  L1
GL. 18
(360V  12V )  0,033
 0, 41 A
60 kHz  470 H
I L  PK  BB 
I L  PK  BB 
VIN  DDCM  BB
f SW  L1
GL. 19
360V  0,032
 0,41 A
60 kHz  470 H
Basierend auf den Grenzwerten für Induktivität und Spitzenstrom lässt sich nun eine passende Drossel
auswählen. Die 7687714471 aus der WE-PD HV-Produktreihe ist eine 470 µH-Drossel mit einem
Sättigungsstromgrenzwert von 0,8 A. Es handelt sich hierbei um eine Komponente zur Oberflächenmontage
mit magnetischer Schirmung für eine gute EMV und einer Grundfläche von 10 mm × 10 mm bei 6 mm Höhe.
Der wichtigste Faktor aber besteht darin, dass bei der Baureihe 768771x dank Konstruktions- und
Nachproduktionsprüfungen sichergestellt ist, dass die Bauteile bei Differenzspannungen bis 400 VDC
einwandfrei funktionieren. Ein solches Bauteil wäre eine gute Wahl für doppelseitige Leiterplatten, auf denen
ein nichtisolierter Abwärtsregler gemeinsam mit anderen oberflächenmontierten Schaltungen verwendet wird.
Für einfachere Anwendungen, bei denen die Leiterplatte nur eine Lage hat und bei den Kondensatoren, der
Diode, dem MOSFET und den Widerständen preisgünstigere Durchsteckkomponenten verwendet werden,
wäre die 768772471 aus der WE-TI HV-Baureihe eine bessere Wahl: Ein Durchsteckbauteil, ebenfalls mit
470 µH und einem Sättigungsnennstrom von 0,9 A.
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7. Anhang ___________________________________________________
7.1.
Vollständiges Schaltbild für Buck-Wandler
7.2.
Würth Elektronik eiSos-HV-Speicherdrosseln
Für Speicherdrosseln der folgenden Baureihen garantiert Würth Elektronik eiSos gemäß internem
Standard 1516 auch nach drei Reflow-Prozessen einen ordnungsgemäßen Betrieb bis 400 VDC.
Abbildung 7a
Abbildung 7b
Abbildung 7c
WE-PD HV
WE-PD2 HV
WE-TI HV
7,8 mm × 5 mm
8,0 mm × 9,5 mm
Abmessungen:7,3 mm × 4,5 mm
10 mm × 6 mm
10 mm × 5,4 mm
12 mm × 10 mm
L:
0,22 ~ 3,3 mH
0,56 ~ 2,2 mH
0,22 ~ 2,2 mH
IR:
0,26 ~ 1,3 A
0,15 ~ 0,41 A
0,32 ~ 0,9 A
ISAT:
0,25 ~ 2,0 A
0,2 ~ 0,38 A
0,32 ~ 1,3 A
RDC:
0,3 ~ 5,5 Ω
1,7~ 6,0 Ω
0,5 ~ 3,9 Ω
ANP021; 18.02.2014, ChrR
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APPLICATION NOTE
Sicheres, zuverlässiges Design Nichtisolierter OfflineWandler mit 400 VDC Hochvolt Speicherdrosseln
WICHTIGER HINWEIS
Der Anwendungshinweis basiert auf unserem aktuellen Wissens- und Erfahrungsstand, dient als allgemeine Information
und ist keine Zusicherung der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG zur Eignung des Produktes für
Kundenanwendungen. Der Anwendungshinweis kann ohne Bekanntgabe verändert werden. Dieses Dokument und Teile
hiervon dürfen nicht ohne schriftliche Genehmigung vervielfältigt oder kopiert werden. Würth Elektronik eiSos GmbH & Co.
KG und seine Partner- und Tochtergesellschaften (nachfolgend gemeinsam als „WE“ genannt) sind für eine
anwendungsbezogene Unterstützung jeglicher Art nicht haftbar. Kunden sind berechtigt, die Unterstützung und
Produktempfehlungen von WE für eigene Anwendungen und Entwürfe zu nutzen. Die Verantwortung für die
Anwendbarkeit und die Verwendung von WE-Produkten in einem bestimmten Entwurf trägt in jedem Fall ausschließlich
der Kunde. Aufgrund dieser Tatsache ist es Aufgabe des Kunden, erforderlichenfalls Untersuchungen anzustellen und zu
entscheiden, ob das Gerät mit den in der Produktspezifikation beschriebenen spezifischen Produktmerkmalen für die
jeweilige Kundenanwendung zulässig und geeignet ist oder nicht.
Die technischen Daten sind im aktuellen Datenblatt zum Produkt angegeben. Aus diesem Grund muss der Kunde die
Datenblätter verwenden und wird ausdrücklich auf die Tatsache hingewiesen, dass er dafür Sorge zu tragen hat, die
Datenblätter auf Aktualität zu prüfen. Die aktuellen Datenblätter können von www.we-online.com heruntergeladen werden.
Der Kunde muss produktspezifische Anmerkungen und Warnhinweise strikt beachten. WE behält sich das Recht vor, an
seinen Produkten und Dienstleistungen Korrekturen, Modifikationen, Erweiterungen, Verbesserungen und sonstige
Änderungen vorzunehmen.
Lizenzen oder sonstige Rechte, gleich welcher Art, insbesondere an Patenten, Gebrauchsmustern, Marken, Urheber- oder
sonstigen gewerblichen Schutzrechten werden hierdurch weder eingeräumt noch ergibt sich hieraus eine entsprechende
Pflicht, derartige Rechte einzuräumen. Durch Veröffentlichung von Informationen zu Produkten oder Dienstleistungen
Dritter gewährt WE weder eine Lizenz zur Verwendung solcher Produkte oder Dienstleistungen noch eine Garantie oder
Billigung derselben.
Die Verwendung von WE-Produkten in sicherheitskritischen oder solchen Anwendungen, bei denen aufgrund eines
Produktausfalls sich schwere Personenschäden oder Todesfällen ergeben können, sind unzulässig. Des Weiteren sind
WE-Produkte für den Einsatz in Bereichen wie Militärtechnik, Luft- und Raumfahrt, Nuklearsteuerung, Marine,
Verkehrswesen (Steuerung von Kfz, Zügen oder Schiffen), Verkehrssignalanlagen, Katastrophenschutz, Medizintechnik,
öffentlichen Informationsnetzwerken usw. weder ausgelegt noch vorgesehen. Der Kunde muss WE über die Absicht eines
solchen Einsatzes vor Beginn der Planungsphase (Design-In-Phase) informieren. Bei Kundenanwendungen, die ein
Höchstmaß an Sicherheit erfordern und die bei Fehlfunktionen oder Ausfall eines elektronischen Bauteils Leib und Leben
gefährden können, muss der Kunde sicherstellen, dass er über das erforderliche Fachwissen zu sicherheitstechnischen
und rechtlichen Auswirkungen seiner Anwendungen verfügt. Der Kunde bestätig und erklärt sich damit einverstanden,
dass er ungeachtet aller anwendungsbezogenen Informationen und Unterstützung, die ihm durch WE gewährt wird, die
Gesamtverantwortung für alle rechtlichen, gesetzlichen und sicherheitsbezogenen Anforderungen im Zusammenhang mit
seinen Produkten und der Verwendung von WE-Produkten in solchen sicherheitskritischen Anwendungen trägt. Der Kunde
hält WE schad- und klaglos bei allen Schadensansprüchen, die durch derartige sicherheitskritische Kundenanwendungen
entstanden sind.
NÜTZLICHE LINKS
KONTAKTINFORMATIONEN
Application Notes:
http://www.we-online.de/app-notes
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
REDEXPERT Design Tool:
http://www.we-online.de/redexpert
Tel.: +49 (0) 7942 / 945 – 0
Toolbox:
http://www.we-online.de/toolbox
Web: http://www.we-online.de
Max-Eyth-Str. 1, 74638 Waldenburg, Germany
Email: [email protected]
Produkt Katalog:
http://katalog.we-online.de/
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