Drei einfache Topologien für Split-Rail-Stromversorgungen

Eine einfache Methode ist in Bild 1 dargestellt. Hier wurden eine Ladungspumpe und ein Aufwärtswandler integriert. Während der Aufwärtswandler eine geregelte positive Ausgangsspannung bereitstellt, erzeugt die Ladungspumpe die negative Spannung. Wenn der MOSFET Q1 abschaltet, lädt sich der Kondensator C4 über D4 auf eine Spannung auf, die um einen Dioden-Spannungsabfall über der Ausgangsspannung liegt. Sobald Q1 einschaltet, entlädt sich C4 über D3 an den Ausgangskondensator C3. D1 und D2 fügen einen Dioden-Spannungsabfall zur Spannung an C4 hinzu, um die Spannungs-abfälle an D3 und D4 in der Ladungspumpe zu kompensieren.

Lässt man D1 weg, ist die Ausgangsspannung von –12 V vom Betrag her um einen Dioden-Spannungsabfall geringer als die Ausgangsspannung von +12 V. Bei dieser Schaltung muss die Belastung des positiven Ausgangs größer oder gleich der des negativen Ausgangs sein, da sonst am negativen Ausgang eine übermäßige Welligkeit zu beobachten ist.

Wird beispielsweise die Last am positiven Ausgang ganz entfernt, stellt die Stromversorgung das Schalten ein und die Spannung am Ausgangskondensator des negativen Ausgangs fällt bis zum nächsten Schaltzyklus langsam ab.

Auf-/Abwärtswandler-Schaltung mit Buck Controller

 Bild 2: Mithilfe einer gekoppelten Induktivität liefert dieser Abwärts-/Aufwärts-Wandler zwei Ausgangsspannungen (Bild: TI) Bild 2: Mithilfe einer gekoppelten Induktivität liefert dieser Abwärts-/Aufwärts-Wandler zwei Ausgangsspannungen (Bild: TI)

Ein alternativer Ansatz mit einer gekoppelten Induktivität ist in Bild 2 zu sehen. Die Schaltung kann über einen weiten Ein- und Ausgangsspannungsbereich eingesetzt werden. Sie setzt außerdem nicht zwingend voraus, dass die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung ist.

In einer Auf-/Abwärtswandler-Schaltung kommt hier ein Buck-Controller mit integriertem FET zum Einsatz. Dieser Controller ist auf die negative Ausgangsspannung bezogen, läuft aber über die Ausgangsdiode D2 an. Sobald sich in der Primärwicklung des Leistungsübertragers ein Strom aufbaut, wird die negative Spannung reduziert.

Geregelt wird in dieser Schaltung die Summe aus der positiven und der negativen Ausgangsspannung. Verglichen mit der Regelung nur einer Spannung sorgt dies für verbesserte Regeleigenschaften. Regelt man nur eine Spannung, kann bei dieser eine hohe Regelgenauigkeit erzielt werden. Bei der anderen Spannung dagegen können Schwankungen um ±10 % auftreten. Das hier gewählte Regeln der Summe beider Spannungen bewirkt bei beiden eine Schwankungsbreite von ±5 %.

Die Rückleitung des Reglers über den negativen Ausgang hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Einerseits kann hierdurch der Differenzverstärker entfallen, der notwendig wäre, wenn die Rückleitung mit der Masse verbunden wäre. Andererseits macht dies eine Pegelumsetzung an Signalen wie Power Good und Enable sowie den Takten erforderlich.

Entschieden werden muss beim Design dieser Schaltung ebenfalls, ob sie stets mit einem kontinuierlichen (nicht lückenden) Strom in der Induktivität arbeiten soll.

Für den nicht lückenden Betrieb wird D2 sowie möglicherweise auch D1 häufig durch MOSFETs ersetzt, wodurch der Strom während des 1-D-Off-Intervalls in umgekehrter Richtung fließen kann. Wird D1 nicht durch einen FET ersetzt und beträgt das Windungsverhältnis des Übertragers 1:1, ist die positive Ausgangsspannung vom Betrag her um ungefähr einen Dioden-Spannungsabfall geringer als die negative.

Während der höhere Wirkungsgrad und die besseren Kreuzregelungs-Eigenschaften klar für den nicht lückenden Betrieb sprechen, schlagen die höhere Komplexität und die Mehrkosten bei dieser Betriebsart negativ zu Buche.

Design einer isolierten, bipolaren Stromversorgung

 Bild 3: Diese Flybuck-Schaltung mit einer gekoppelten Induktivität stellt einen nicht isolierten Ausgang und zwei isolierte Ausgänge bereit. (Bild: TI) Bild 3: Diese Flybuck-Schaltung mit einer gekoppelten Induktivität stellt einen nicht isolierten Ausgang und zwei isolierte Ausgänge bereit. (Bild: TI)

Das in Bild 3 dargestellte, einfache Design einer isolierten bipolaren Stromversorgung wird als Flybuck-Wandler bezeichnet. Im vorliegenden Fall wird eine primärseitig geregelte Ausgangsspannung von 12 V erzeugt, von der sekundärseitig Ausgangsspannungen von ±15 V abgeleitet werden.

Ein synchroner Betrieb ist die Voraussetzung für das Aufrechterhalten der Regelung, wenn am 12-V-Ausgang keine Last liegt, während die sekundärseitigen Ausgänge belastet sind. Im synchronen Betrieb kann der Strom in der Primärwicklung das Vorzeichen wechseln, um die Ansammlung von Ladung im Ausgangskondensator zu verhindern und ein Peaking zu vermeiden.

Die Regelung auf der Primärseite bleibt ununterbrochen bestehen, während die sekundärseitige Regelung den 1-D-Abschnitt der Schaltperiode nutzt. Während dieser Zeit wird die Spannung an der Primärwicklung auf 12 V geklemmt und die sekundärseitigen Spannungen werden anhand des Windungsverhältnisses bestimmt. Die Schaltung kommt über einen weiten Lastbereich hinweg auf eine sekundärseitige Regelgenauigkeit von ±10 %.

Auswahl der richtigen Topologie

 Tabelle 1: Die Anforderungen in Sachen VIN/VO und Isolation können als Auswahlkriterien bei der Ermittlung der richtigen Topologie dienen (Bild: VBM-Archiv) Tabelle 1: Die Anforderungen in Sachen VIN/VO und Isolation können als Auswahlkriterien bei der Ermittlung der richtigen Topologie dienen (Bild: TI)

Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Kriterien zur Auswahl der richtigen Topologie. In vielen Fällen kommt die Ladungspumpe als kostengünstigste Option in Frage. Werden jedoch über einen großen Lastbereich gute Regeleigen-schaften gewünscht, sollten die beiden anderen Verfahren in Erwägung gezogen werden. Da es sich bei der Flybuck-Schaltung im Prinzip um einen Abwärtswandler mit gekoppelter Induktivität handelt, ist das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Haupt-Ausgangsspannung stets größer als 1.

Ergänzt man diese Topologie durch eine zusätzliche Wicklung, sind verschiedene Spannungsverhältnisse realisierbar, und auch eine galvanische Isolation ist möglich. Die größte Flexibilität hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Ein- und Ausgangsspannungen bietet insgesamt jedoch der Abwärts-/Aufwärts-Wandler.

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