Im Zusammenhang mit der VoIP (Voice over Internet Protocol)-Telefonie entstand ein Bedarf an passenden Schaltungen, die mehrere hohe negative Ausgangsspannungen erzeugen können. Diese Spannungen dienen zum Ansteuern der Telefonleitungen. Allgemein liefert eine –24-V-Ausgangsspannung den Schleifenstrom, wenn sich die Leitung im Sprechmodus befindet.

Daneben sind gewöhnlich ein oder zwei weitere negative Ausgänge vorhanden, die den Rufstromgeber ansteuern. Interessanterweise schließen sich die an eine Telefonleitung angeschlossenen Lasten gegenseitig aus, d. h. eine gleichzeitige Übermittlung von Rufstrom und Sprachinformationen ist nicht möglich. In einem System können allerdings viele Telefonleitungen vorhanden sein, was zu zahlreichen Lastszenarien führt.

Diese Systeme werden häufig an einer 12-V-Spannungsquelle betrieben, die bereits von der Eingangsspannung galvanisch getrennt ist, so dass eine zweite Isolationsstufe in der Regel nicht benötigt wird. Die Leistungen, mit denen in diesem Bereich gearbeitet wird, liegen meist unter 25 W, und die Anforderungen an die Regelung bewegen sich allgemein in der Größenordnung von 3 bis 10%

Für diesen Anwendungsfall bietet sich die Sperrwandler-Topologie an. So ist bei diesem Wandlertyp das Leistungsniveau gleichbleibend, mehrere höhere Ausgangsspannungen lassen sich leicht herstellen, und die Wirkungsweise des Sperrwandlers ist gut bekannt.

Beim Sperrwandler sind aber auch einige Schwierigkeiten zu meistern: Zur Topologie gehören unter anderem Leistungsschalter-Spannungen, die nicht begrenzt werden und entsprechend starkes Nachschwingen verursachen. Es wird normalerweise ein zweistufiges Ausgangsfilter benötigt, und die gegenseitige Beeinflussung der Ausgänge (Kreuzregelung) wird über den gesamten Bereich von Null bis Volllast nicht bei 3% liegen.

Bild 1 zeigt ein alternatives Konzept. Kommt Ihnen die Topologie bekannt vor? Betrachten wir einige der vorteilhaften Merkmale dieser Topologie unter der Annahme, dass die gesamte Last nur am –27-V-Ausgang anliegt.

Beim Ausschalten des Schalters begrenzt C16 den Leistungsschalter (Q1). Der Ausgangsgleichrichter (D2) wird über C16 begrenzt, wenn der Leistungsschalter den Zustand „Ein“ hat. Daher ist das für den Sperrwandler typische Nachschwingen hier nicht vorhanden.

Außerdem können der Eingangs- und der Ausgangsstrom durch die gekoppelte Induktivität kontinuierlich fließen, was sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangsfilter wesentlich vereinfacht.

Diese Topologie ist als Cuk-Wandler bekannt. Die Herausforderung bei der Implementierung dieser Topologie besteht darin, dass der typische Entwickler mit ihrer Funktionsweise nicht besonders gut vertraut ist. Das liegt in erster Linie daran, dass das Cuk-Wandlerprinzip nur gelegentlich angewandt oder vom Entwickler meist gar nicht erst in Betracht gezogen wird.

Eine Stromversorgung für ein VoIP-Telefon ist außerordentlich kostensensibel, reagiert empfindlich auf Stromausfälle und muss eine ausreichende Kreuzregelung (besser als 5 %) bieten. Solche Systeme werden in großen Stückzahlen hergestellt und unterliegen einem hohen Preisdruck. Sie arbeiten typisch akkugepuffert, so dass jedes Watt kostbar ist. Jeder Ausgang muss unter dem Aspekt ungleichmäßiger Belastungen (Cross-Loading) und zum Schutz nachgelagerter Verstärker gut geregelt sein.

Diese Anforderungskombination ist für einen Sperrwandler aufgrund des Nachschwingens eine echte Herausforderung und macht entweder vorgeschaltete Lasten oder zusätzliche Schaltungen zur Leistungsregelung erforderlich. Der Cuk-Wandler eignet sich für diese Anwendung bestens, wie Tabelle 1 zeigt.

In dieser Tabelle sind die Ergebnisse für die Kreuzregelung bei extremen Belastungen und unter ungünstigsten Bedingungen zusammengestellt. In unserem Beispiel werden die Ausgangsspannungen mit den gewichteten Strömen durch R17, R18 und R20 gleichmäßig geregelt. Hierdurch konnten die Fehler zentriert und eine Kreuzregelung von besser als 5% unter den Extrembedingungen erzielt werden, ohne dass Grundlasten oder zusätzliche Regelungsschaltungen eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus konnte die Regelung eines Ausgangs verbessert werden, indem seine Gewichtung erhöht wurde, auch wenn dadurch die Regelung des anderen Ausgangs beeinträchtigt wird.

Der Wirkungsgrad lag um 2% über dem eines Sperrwandlers, und das selbst unter der Annahme, dass bei diesem keine vorgeschaltete Last vorhanden war. Möglich wurde dies durch die Verwendung von Schaltern und Dioden mit niedrigeren Nennspannungen, die wegen des nicht vorhandenen Nachschwingens in der Schaltung gewählt werden konnten.

Als Fazit lässt sich festhalten, dass der sonst eher selten in Betracht gezogene Cuk-Wandler eine ausgezeichnete Wahl in diesem Anwendungsfall ist, bei dem die Anforderungen wie folgt lauten: 1) keine galvanische Trennung, 2) Umwandlung von positiven Spannungen in negative Spannungen, 3) mehrere Ausgänge, 4) gute Kreuzregelung, 5) hoher Wirkungsgrad, 6) niedrige Kosten und minimale Zahl von Bauelementen.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.