wyrs,
Switch Mode Power Supply 1
Switch Mode Power Supply
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)
Sekundär
geta
kte
t P
rim
är
geta
kte
t
wyrs,
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
wyrs,
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.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 5
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.
Vollbrücken-Gegentaktwandler
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
wyrs,
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.
wyrs,
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
wyrs,
Switch Mode Power Supply 8
Abwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe
Solange IL nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend),
ist IL zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb.
T
tD 1
wyrs,
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.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 10
Aufwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe
T
tD 1
Solange IL nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend),
ist IL zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb.
wyrs,
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.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 12
Invertierender Wandler:
Strom- und Spannungsverläufe
D
DU
tT
tUU eea
11
1
T
tD 1
wyrs,
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 85...270VAC möglich)
• Transistorsperrspannung UDS 2Ue
• Sehr gute magnetische Kopplung notwendig
• Grosser Kern mit Luftspalt notwendig
wyrs,
Switch Mode Power Supply 14
Sperrwandler : Strom- und Spannungsverläufe
D
D
N
NU
tT
t
N
NUU eea
11
2
1
1
1
2
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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 UDS 2Ue
• Tastverhältnis tein/T0.5
• Sehr gute magnetische Kopplung notwendig
• Kleiner Kern ohne Luftspalt
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Switch Mode Power Supply 16
Eintakt-Durchflusswandler:
Strom- und Spannungsverläufe
DN
NU
T
t
N
NUU eea
1
21
1
2
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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 UDS = Ue
• Tastverhältnis tein/T0.5
• Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt
• Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig
wyrs,
Switch Mode Power Supply 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 UDS = Ue
• Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt
• Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig
• Symmetrierungsprobleme
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Switch Mode Power Supply 19
Gegentaktwandler: Vollbrücken-Gegentaktwandler
I1
DN
NU
T
t
N
NUU eea
1
21
1
2
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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 UDS 2Ue
• Kleiner Kern ohne Luftspalt
• Sehr gute magnetische Kopplung zwischen den Primärwicklungen
notwendig
• Symmetrierungsprobleme
wyrs,
Switch Mode Power Supply 21
Gegentaktwandler
Halbbrücken-Gegentaktwandler
Eine Variante des Gegentaktwandlers ist der Halbbrücken-
Gegentaktwandler (englisch: Single-ended push-pull converter). Die
Kondensatoren C1 und C2 teilen die Eingangsspannung Ue in zweimal Ue/2.
• Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung
• Leistung bis einige kW
• Transistorsperrspannung UDS = Ue
• Kleiner Kern ohne Luftspalt
• Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig
• Symmetrierungsprobleme
C1
C2
wyrs,
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).
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Switch Mode Power Supply 23
Gegentakt-Resonanzwandler
Beispiel: ZCS (Zero Current Switching)-Gegentakt-Resonanzwandler
Der Resonanzkreis wird von L und C gebildet.
LCf
2
1:equenzResonanzfr 0
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Switch Mode Power Supply 24
Gegentakt-Resonanzwandler:
Strom- und Spannungsverläufe
1
2
2 N
NUU e
a
wyrs,
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.
wyrs,
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.
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Switch Mode Power Supply 27
Voltage-mode-Regelung
Die Ausgangsspannung Ua wird über den Spannungsteiler R1,R2 mit der
Referenzspannung Uref verglichen und über den PI-Regler verstärkt.
Ein Pulsweitenmodulator (PWM) wandelt die Ausgangsspannung des PI-Reglers
U2 in eine pulsweitenmodulierte Spannung (Tastverhältnis: t1/T).
Der Ausgang des Pulsweitenmodulators steuert den MOSFET.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 28
Current-mode-Regelung
Die Ausgangsspannung Ua wird über den Spannungsteiler R1,R2 mit der
Referenzspannung Uref verglichen und über den PI-Regler verstärkt.
Die Spannung U2 am Ausgang des PI-Reglers wird mit der rampenförmigen
Spannung an dem Strommesswiderstand Ri 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
Ri die Spannung U2 erreicht.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 29
Vergleich: Voltage- und 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 Ca und dem
Lastwiderstand RL mit der Eingangsgrösse ID und der Ausgangsgrösse Ua.
Die Regelstrecke hat PT1-Verhalten und Ausgleichsvorgänge beschreiben eine
e-Funktion.
Vereinfachtes Blockschaltbild für die current-mode-Regelung
wyrs,
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 t1/T geregelt, d.h. die
Spannung über L. Diese ändert erst den Drosselstrom und dann die
Ausgangsspannung.
Hier hat die Regelstrecke PT2-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.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 31
Leistungsfaktor-Vorregelung
Die europäische Norm EN61000-3-2 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 33
Hochsetzsteller mit Leistungsfaktor-Vorregelung
und Netzfilter gegen elektromagnetischen Störungen
Netzfilter
Leistungsfaktor-Vorregelung
wyrs,
Switch Mode Power Supply 34
Einige Grenzwerte der EN61000-3-2-Norm
Oberschwingungs-
ordnung n
Wirkleistungsaufnahme
75 bis 600W
Zulässiger Höchstwert des
Oberschwingungsstromes
je Watt (mA/W) / Maximum (A)
Wirkleistungsaufnahme >600W
Zulässiger Höchstwert des
Oberschwingungsstromes (A)
3 3.4 / 2.3 2.3
5 1.9 / 1.14 1.14
7 1 / 0.77 0.77
9 0.5 / 0.4 0.4
11 0.35 / 0.33 0.33
Zulässige Effektivwerte der Netzoberschwingungsströme
wyrs,
Switch Mode Power Supply 35
Beispiel: Oberwellen des Netzstromes
PL=U2/RL
100W=ca.1502/220
N1 N2
TR1
+
U_Netz
R_LastC V+
VM1
A+
AM1
A+
AM2
wyrs,
Switch Mode Power Supply 36
Beispiel: Oberwellen des Netzstromes
PL=100W
N1 N2
TR1
+
U_Netz
R_LastC V+
VM1
A+
AM1
A+
AM2
wyrs,
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.
wyrs,
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.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 39
Leistungsfaktor-Vorregelung
Detaillierte Funktionsweise siehe Kories, Schmidt-Walter.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 40
PFC-Controller
PFC-Controller
Netzfilter Standard- und Medizinalversion,
IEC 60939, IEC 60601-1, UL 1283, UL
544, CSA C22.2 no. 8
Netzfilter
wyrs,
Switch Mode Power Supply 41
Beispiel: Netzfilter (Funkentstörfilter )
Netzfilter (Funkentstörfilter) zur Unterdrückung von elektromagnetischen
Störungen.
wyrs,
Switch Mode Power Supply 42
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.
Zusammenfassung