Dies kann zu schlechtem Einschwingverhalten führen und einen starken Ausgangsfilterkondensator erforderlich machen. Ein einfacherer Ansatz ist, das Netzteil bei allen Lasten mit kontinuierlichem Strom zu betreiben.

Bild 1: Ein einfacher Abwärtsregler wurde verwendet, um das Einschwingverhalten darzustellen.

Bild 1 stellt einen einfachen synchronen Abwärtswandler dar. Er wurde verwendet, um das Einschwingverhalten der Last bei kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strom in der Ausgangsdrossel darzustellen. Der Strom in der Ausgangsdrossel bleibt kontinuierlich, bis keine Last vorhanden ist, da der Synchrongleichrichter den Strom der Drossel bei leichten Lasten in die umgekehrte Richtung fließen lässt. Der Stromkreis wurde diskontinuierlich gestaltet, indem der untere FET (Q2) durch eine Diode ersetzt wurde. Obwohl dieser Artikel die Unterschiede in einer Abwärtsregler-Topologie zeigt, werden Sie ähnliche Reaktionen bei allen Netzteil-Topologien feststellen

Bild 2a: Synchronbetrieb (links) liefert das beste Einschwingverhalten.

Die Bilder 2a und 2b zeigen zwei Lasteinschwingverhalten bei einer Änderung des Ausgangsstroms um einen Schritt von 700 mA. Der Stromverlauf auf der linken Seite steht für den kontinuierlichen Fall und der Stromverlauf auf der rechten Seite für den diskontinuierlichen Fall.

Bild 2b: Synchronbetrieb (links) liefert das beste Einschwingverhalten.

Im diskontinuierlichen Fall war das Einschwingverhalten dreifach schlechter als im kontinuierlichen Fall. Ein synchroner FET wurde verwendet, um einen kontinuierlichen Betrieb zu erzwingen. Es gibt jedoch auch alternative Möglichkeiten, um ein gutes Einschwingverhalten zu erreichen, einschließlich der Beschaltung mit einer Grundlast oder der Verwendung von Drosseln, die stromabhängig sind. Bei diesen stromabhängigen Drosseln handelt es sich um eine Drossel, deren Induktivität bei niedrigem Strom steigt. Dies wird vor allem durch die Verwendung von zwei Kernmaterialien erreicht: einem starken Ferritkern, der bei niedrigem Strom gesättigt ist; und einem Eisenpulverkern, der nicht gesättigt wird. Der Grund für das beeinträchtigte Einschwingverhalten bei diskontinuierlichem Betrieb liegt in den sich stark ändernden Eigenschaften des Regelkreises.

Bild 3: Bei diskontinuierlichem Betrieb geht eine signifikante Regelkreisverstärkung verloren.

Dies wird in Bild 3 und 4 dargestellt. Die Kurve auf dem Bild 3 zeigt die Verstärkung des Regelkreises bei kontinuierlichem Betrieb. Der Regelkreis hat eine Bandbreite von 50 kHz und tritt mit einer Phasenreserve von 60 Grad durch. Die Kurve im Bild 4 zeigt das Verhalten, wenn die Leistungsstufe in den diskontinuierlichen Betrieb wechselt. Die Leistungsstufe wechselt von einem Paar komplexer Pole während des kontinuierlichen Betriebs zu einem einzelnen reellen Niedrigfrequenz-Pol bei diskontinuierlichem Betrieb.

Bild 4:

Die Frequenz dieses Pols wird durch den Ausgangskondensator und den Lastwiderstand festgelegt. Sie können sehen, wie sich die Phase bei einer niedrigeren Frequenz im Vergleich zum kontinuierlichen Fall in Richtung Niedrigfrequenz-Pol verschiebt. Das Amplitudenverhältnis fällt signifikant bei niedrigeren Frequenzen, da der Pol zu einer viel geringeren Durchtrittsfrequenz führt, wodurch das Einschwingverhalten beeinträchtigt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Synchrongleichrichtung die Effizienz verbessert und wesentlich zur transienten Lastregelung beiträgt. Dies stellt eine sehr effiziente Alternative zum Beschalten der Stromversorgung mit einer Grundlast dar. Außerdem bietet diese Methode im Vergleich zur Verwendung von stromabhängigen Drosseln konsistentere Regelkreiseigenschaften. Die Dynamik eines herkömmlichen Abwärtsreglers sowie aller Topologien, bei denen Synchrongleichrichtung genutzt werden kann, wird verbessert.

Es handelt sich quasi um die Nachbildung eines Thyristors, welcher mit diskreten Bauteilen realisiert wird. Die beiden Transistoren sind normalerweise ausgeschaltet. Um die Sicherung durchzuschalten wird entweder an die Basis des PNP Transistors Masse gelegt oder aber positives Potential an die Basis des NPN Transistors – solange, bis einer der beiden Transistoren durchschaltet. Der dabei fließende Kollektorstrom schaltet den jeweils anderen Transistor durch, dies wiederum hält den zuvor eingeschalteten Transistor eingeschaltet. Die Schutzschaltung ist nun selbstgesteuert. Der Strom wird nur durch den Innenwiderstand der Quelle und die jeweiligen Eigenschaften des Transistors begrenzt, sodass der Schaltkreis einen Kondensator mit hoher Geschwindigkeit entladen kann.

Bild 1: Ein Thyristor mit gesteuertem Haltestrom wird mit diskreten Bauteilen realisiert

Eine interessante Eigenschaft dieser Schaltung ist, dass Sie den Haltestrom des Thyristors durch Wahl der Widerstandswerte einstellen können. Damit die Schaltung nach seiner Auslösung aktiv bleibt, muss die Spannung an den zwei Basis-Emitter-Übergängen wenigstens so hoch sein (~0,7 V), dass sie auch eingeschaltet bleiben. Dies bedeutet, dass die Schaltung sperrt, wenn diese mit einem Strom von mindestens Vbe/R1 + Vbe/R2 gespeist wird. Ist die Schaltung parallel zu einem Kondensator, welcher nur mit einem kleinen Strom gespeist wird, entlädt die Schutzschaltung den Kondensator. Sobald nun der Strom unterhalb des Haltestrom abfällt, schaltet sich die elektronische Sicherung selbst aus.

Bild 2 zeigt einen Bereich innerhalb der Rückkopplung, in dem diese Schaltung sinnvoll eingesetzt werden kann. Es handelt sich um einen netzgespeisten 48V-Sperrwandler, welcher die Thyristorersatzschaltung im Falle eines Fehlers innerhalb der Regelschleife zur Überspannungs-Schutzabschaltung nutzt.

Sobald eine Eingangsspannung angelegt wird, lädt der Strom durch R3 und R4 den Pufferkondensator C3 auf. Wenn die Spannung an C3 ausreichend hoch ist, wird der PWM-Baustein aktiv, taktet den Leistungs-FET Q3 und überträgt Energie zum Ausgang der Stromversorgung. Die Ausgangsspannung wird durch Steuerung des Stroms im Optokoppler U1 geregelt, der die durch den Transformator übertragene Energie steuert.

Bild 2: Der Thyristor-Ersatzschaltung kann sperrend oder nicht sperrend dimensioniert werden.

Die Schaltung mit Optokoppler U3 wiederum generiert eine isolierte Überspannungsschutzabschaltung. Die Zenerdioden D5 und D6 sind so gewählt, dass sie im normalen Betrieb nicht leitend sind. Im Fall einer Überspannung gehen sie in den leitenden Zustand über und zwingen damit einen Strom durch den Optokoppler U3, der die Sicherung, bestehend aus Q4 und Q5, auslöst. Die Schutzschaltung entlädt den Pufferkondensator C3 und U2 schaltet ab, sobald die VDD-Spannung die Unterspannungsschwelle des PWM’s U2 erreicht.

Die Schutzschaltung setzt das Entladen des Pufferkondensators so lange fort, bis die Spannung nahe bei 1 Volt liegt. An diesem Punkt kommt es auf die Dimensionierung von R3, R4, R14 und R16 an. R3 und R4 begrenzen den Strom, der von der Eingangsseite zur Verfügung steht, und R14 und R16 bestimmen den Haltestrom welcher für die Sicherung, benötigt wird. Wenn R14 und R16 kleine Werte aufweisen, schaltet sich die Sicherungsschaltung wieder aus, der Pufferkondensator wird wieder aufgeladen und das Netzteil versucht erneut hochzufahren.

Bei dieser Dimensionierung setzen im Fehlerfall kontinuierliche Startversuche ein. Wenn die Widerstände ausreichend hohe Werte aufweisen, bleibt die Sicherungsschaltung beständig eingeschaltet und die Stromversorgung muss manuell aus- und wieder eingeschaltet werden, um diese zurückzusetzen. In diesem Fall finden also keine kontinuierlichen Startversuche statt. Eine weitere wichtige Komponente in diesem Schaltkreis ist Vorwiderstand R5, der die Hilfsversorgungsspannung nach dem Auslösen der Schutzschaltung begrenzt. Normalerweise dient dieser Widerstand dazu, den Pufferkondensator C3 nicht auf Spannungsspitzen aufzuladen.

Diese Schaltung kann auf mehrere Arten eingesetzt werden, insbesondere, da eine steigende oder fallende Flanke zu ihrer Auslösung verwendet werden kann. Der Überspannungsschutz kann beispielsweise auch auf der Primärseite implementiert werden, indem eine Zenerdiode zwischen die Hilfsspannung und die Basis von Q5 geschaltet wird. Sie können einen Temperatursensor mit einem High-Low-Übergang zur Ansteuerung der Basis von Q4 verwenden. Oder Sie verwenden einen Komparator auf der Sekundärseite, um eine sehr exakte Überstromschutzabschaltung mit Hilfe eines Optokopplers zu erzielen, ähnlich wie in Bild 2.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Schutzschaltung, bestehend aus Transistoren im Wert von 2 bis 3 Cent, sehr vielseitig ist. Diese kann entweder durch High-Low- oder Low-High-Übergänge ausgelöst werden und kann auch kontinuierlich sperrend oder nicht sperrend arbeiten, je nachdem, welche Widerstandswerte Sie wählen. Lesen Sie auch die nächste Ausgabe, in der wir uns mit dem Sprungantworten von unstetigen und stetigen Netzteilen beschäftigen und zeigen, dass Effizienz nicht den einzigen Grund für die Verwendung von Synchrongleichrichtern darstellt.