Einfache Biasstromversorgung mit Niederspannungs-Abwärtswandler

In diesem speziellen Anwendungsfall ist keine galvanische Trennung zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung erforderlich. Hier kann die gleichgerichtete Eingangswechselspannung bis zu 375 VDC betragen; der Ausgang liefert eine Spannung in der Größenordnung von 5 V und kann mit Strömen von mehreren hundert Milliampère belastet werden. Diese in Massenstückzahlen hergestellten Baugruppen sind häufig recht kostenempfindlich, so dass eine Schaltung erforderlich ist, die mit wenigen Bauteilen auskommt und möglichst preiswert ist.

Ein Abwärts-Spannungsregler ist eine kostengünstige Lösung; sie mit einem Hochspannungseingang zu implementieren, kann den Entwickler jedoch vor einige Herausforderungen stellen. Im Dauerbetrieb errechnet sich das Spannungsverhältnis dieses Abwärtswandlers aus der Division der Ausgangsspannung durch die Eingangsspannung, was bei einer Konversion von 400 V auf 5 V einen Wert von 1,25 % ergibt. Betreibt man die Stromversorgungsschaltung mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz, so muss die Einschaltzeit 125 ns betragen, was häufig aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit unpraktikabel ist.

Bild 1: Eine einfache und kostengünstige Biasstromversorgung mit einem Niederspannungs-Abwärtswandler-IC Bild 1: Eine einfache und kostengünstige Biasstromversorgung mit einem Niederspannungs-Abwärtswandler-IC

Bild 1 zeigt eine Schaltung, die der Herausforderung bezüglich des Tastverhältnisses gerecht wird. Ein Konstant-Einschaltzeit-Controller (U1) steuert eine Hochspannungs-Abwärtswandler-Leistungsstufe an, die aus einem p-Kanal-FET (Q4) besteht und von einer Potentialumsetzerschaltung (Q2, Q3) angesteuert wird, um 400 V in die gewünschte Niederspannung von 5 V umzuwandeln. Der Controller (in diesem Beispiel ein TPS64203) bildet das Kernstück dieser Baugruppe. Er hat eine sehr niedrige Ruhestromaufnahme (35 µA), so dass der Wandler im Offline-Modus anlaufen kann und in den Widerständen R2 und R3 nur minimale Verlustleistungen entstehen.

Der zweite wichtige Aspekt bei dieser Schaltung ist ihre Fähigkeit, kurze (600 ns) Einschaltzeit-Gateansteuerungsimpulse zu liefern, um die minimale Schaltfrequenz (im CCM-Betrieb) auf Werte über 20 kHz zu erhöhen. Q1 dient dazu, die Gate-Ansteuerungsspannung auf das Potential des hochspannungsseitigen Treibers zu verschieben. Bei einem Low-Signal am IC-Ausgang liegen ca. 5 V an R4, was bewirkt, dass ein fest vorgegebener Strom durch Q1 und R5 fließt. Die Spannung über R5 gelangt über Emitterfolger zum Gate des p-Kanal-FETs. Der Strom lädt zugleich den Kondensator C4, so dass die Treiberschaltung Betriebsspannung erhält.

Der p-Kanal-FET wurde gewählt, um die Treiberschaltung zu vereinfachen. Soll ein n-Kanal-Typ verwendet werden, so wäre eine Schaltungsvariante erforderlich, um das Gate des FETs mit einer Spannung über der Eingangsspannung zu beaufschlagen und so das Bauelement voll durchzusteuern.

Bild 2: Der MOSFET weist kurze Schaltzeiten (< 50 ns) auf Bild 2: Der MOSFET weist kurze Schaltzeiten (< 50 ns) auf

In Bild 2 sind zwei Signalverläufe dargestellt, die erkennen lassen, dass mit den einfachen Bipolar-Treibern kurze Schaltzeiten erzielt werden. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Gate-Ansteuerungsspannung von weniger als 50 ns führen zu Drain-Schaltzeiten von unter 30 ns. Die Schaltzeiten lassen sich noch verkürzen, indem man den zum p-Kanal-FET fließenden Ansteuerstrom optimiert, was jedoch zu Lasten einer erhöhten Verlustleistung geht.

Der Wirkungsgrad dieser Schaltung beträgt etwa 70 %. Dies ist ein durchaus guter Wert, wenn man berücksichtigt, dass die Leistung lediglich bei 4 W liegt, eine Konversion von 400 V auf 5 V erfolgt und die Schaltung einfach und kostengünstig ist. Zwei Schwächen dieser Schaltung bestehen darin, dass sie weder über einen Kurzschluss- noch einen Überspannungsschutz verfügt. Dennoch dürfte die Schaltung in vielen Anwendungsfällen einen kosteneffektiven Kompromiss darstellen.

Von Robert Kollman, Texas Instruments

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