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Knulldulski

Hocheffizientes Schaltnetzteil für kleine Leistungen [130238-I]

Status: Proposal
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June 11, 2013
2,5 Watt_small.JPG

Energiesparen fängt beim Netzteil an ...
Downsizing ist seit einigen Jahren auch in der Welt der Elektronik massiv auf dem Vormarsch ist. Da verwundert es umso mehr, dass die meisten elektronischen Entwicklungen in Verbindung mit herkömmlichen (Stecker‑) Netzteilen konzipiert werden. Auf den ersten Blick ist dieser Trend auch zu verstehen. Primär kommt es bei der Konzeption elektronischer Schaltungen darauf an, die Elektronik selbst möglichst stromsparend zu realisieren; der Aspekt eines effizienten Netzteils ist zunächst zweitrangig.

Jedoch wird die sparsamste Elektronik durch ein Steckernetzteil, welches mit einer Effizienz von ca. 40% vor sich hin dampft, ad absurdum geführt. Sie ahnen wahrscheinlich schon, was ich meine: diese trafogebundenen Allzweck-Steckernetzteile mit einstellbarer Ausgangsspannung und den vielen kleinen Adaptern, bei denen man sich nie ganz sicher ist, ob man den richtigen erwischt hat. Meistens sind diese Universalnetzteile auf eine Ausgangsstromstärke von 1,5 A bis 2 A ausgelegt, was nicht selten einer Leistung jenseits der 20 Watt entspricht. Natürlich sind diese Netzteile für die Strombedarfe moderner Controller-Schaltungen, die meist nur einige 100 mA benötigen, restlos überdimensioniert, was bei einer oberflächlichen Betrachtung allerdings kein Nachteil darstellt.

Bei einer derartigen Konstellation werden oftmals Leistungen jenseits der 10 Watt buchstäblich verheizt. Ist die Elektronik dann auch noch für den Dauerbetrieb konzipiert worden, kommen schnell jährlich einige zig kWh zusammen, die sich merklich auf der Stromabrechnung niederschlagen.

Muss das denn wirklich sein???
Auf der Suche nach einer alternativen Netzteiltechnik wurde unter anderem der Einsatz von Schaltnetzteilen in herkömmlicher Schaltungstechnik (PWM-gesteuert) untersucht. Das Fazit war ernüchternd. PWM-gesteuerte Schaltnetzteile erreichen einen Effizienzgrad von über 70% erst dann, wenn sie zu 60% belastet werden. Entnimmt man diesen Netzteilen weniger Leistung, so sinkt der Effizienzgrad auch hier rapide ab. Ein weiterer Nachteil, der sich zwangsläufig durch den schaltungstechnischen Aufbau ergibt, liegt in der relativ großzügigen Dimensionierung. Am Markt ist kaum ein Schaltnetzteil zu finden, das für Ausgangsleistungen unter 10 Watt dimensioniert ist (bspw. 5 V @ 1,5 A). Außerdem steht der Preis für solche „Kleinstschaltnetzteile“ in keinem Verhältnis zum Nutzen.

Die amerikanische Firma Power Integrations aus Kalifornien befasst sich mit energiesparenden Spannungsversorgungen für nahezu jede Anwendung. Unter anderem werden unter der Familienbezeichnung „TinySwitch“ hochintegrierte Schaltregler zum Aufbau äußerst effizienter Stromversorgungen, die für kleine Leistungen ausgelegt werden, angeboten. 

Schaltungsprinzip
Das Prinzip der eingesetzten Technik ist verblüffend einfach. Die Energie wird über einen Übertrager in definierten und – im Gegensatz zur PWM – immer gleichgroßen Portionen von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen. Da die übertragenen Energieportionen sehr klein sind, werden bis zu 130.000 dieser Energieportionen pro Sekunde übertragen. Da zu jedem Zeitpunkt nur genau die Energie übertragen wird, wie tatsächlich benötigt wird, werden auch bei geringen Lasten hohe Effizienzgrade erreicht. Auf der Sekundärseite werden die Energieportionen gleichgerichtet und einem Stützkondensator zugeführt. Ein einfacher Spannungsteiler überwacht die Ausgangsspannung und steuert die LED eines Optokopplers an, wenn die Ausgangsspannung einen definierten Wert überschreitet. Diese auch als Flyback bezeichnete Regeleinrichtung wird primärseitig dazu genutzt die Übertragung weiterer Energiepakete so lange zu unterbrechen, bis die Ausgangsspannung auf der Sekundärseite wieder dem gewünschten Wert entspricht. Aufgrund der hohen Arbeitsfrequenz von über 130 kHz und der schnellen Rückkopplung via Optokoppler ist eine sehr präzise Regelung der Ausgangsspannung möglich.

Neben einem 700 V Leistungs-MOSFET beinhalten TinySwitch-Schaltregler bereits den Spannungsregler zur Versorgung sämtlicher interner Komponenten wie Oszillator, Cycle-by-Cycle-Strombegrenzung, Temperaturüberwachung, Anlaufsteuerung, Unterspannungsabschaltung, Überspannungsschutz (ab „TinySwitch-III“), sowie die Enable-Logik, mit der das Flyback-Regelsignal primärseitig ausgewertet wird. Die interne Spannungsversorgung wird direkt über Drain-Anschluss gespeist. Ein Kondensator von typischerweise 100 nF am Bypass-Pin dient der Pufferung der Betriebsspannung von 5,8 V. Damit entfällt die bei herkömmlichen Schaltnetzteilen übliche Hilfswicklung am Übertrager.

Ist der Ausgang unbeschaltet, wird die Stromaufnahme des Netzteils nahezu ausschließlich vom Leistungsbedarf des Schaltreglers bestimmt. Je nach verwendetem Typ lassen sich im Leerlauf Stromaufnahmen von unter 30 mW (!) realisieren.
Neben dem TinySwitch-Schaltregler und einem geeigneten Übertrager sind zum Bau eines hocheffizienten Schaltnetzteils nur wenige Bauteile notwendig. Die hier vorgestellten Netzteile sind für Ausgangsspannungen von 5 V und Leistungen unter 10 Watt ausgelegt. Bei diesen geringen Ausgangsleistungen können die EMI-Störfilter auf eine Kombination aus Spule und Kondensator reduziert werden. Außerdem können diese Filter hinter der Gleichrichtung angeordnet werden. Eine Korrektur des Leistungsfaktors kann entfallen.

Im Anhang ist der schematische Aufbau eines TinySwitch-Schaltnetzteils dargestellt. Da der TinySwitch-Schaltregler bereits über einen Leistungs-MOSFET verfügt, wird der Leistungsübertrager direkt von dem Regler angesteuert. Eine separate Leistungsendstufe entfällt. Sekundärseitig erfolgt die Spannungsüberwachung über eine einfache Zenerdiode. Die Dimensionierung dieser Zenerdiode definiert die Ausgangsspannung. Wird diese Spannung überschritten, leuchtet die Diode im Optokoppler. Der Transistor im Optokoppler zieht das Enable-Signal auf Nullpotenzial, wodurch die Übertragung weiterer Energiepakete unterbunden wird. Fällt die Ausgangsspannung wieder unter die definierte Spannung, erlischt die LED im Optokoppler und das Enable-Signal wird wieder freigegeben.

Mit der hier dargestellten Spannungsüberwachung mittels Zenerdiode lässt sich die Ausgangsspannung auf +/- 5% genau einstellen. Es besteht allerdings die Möglichkeit, die Ausgangsspannung auf +/- 2% genau zu regeln, womit sich ein nachgeschalteten Spannungsregler erübrigt. Auch diese Methode wird in diesem Artikel vorgestellt.

Schreiten wir zur Praxis ...
5 VDC @ 500 mA
Technische Daten:

  • Eingangsspannung: 195 - 265 VAC
  • Überspannungsschutz: Schmelzsicherung/Varistor
  • Ausgangsspannung: 5 VDC +/-5%
  • Ausgangsleistung: bis 500 mA
  • Effizienz: > 80 %
  • Ripple: < 5 mV
  • Unterspannungsschutz
  • Kurzschlussfest
  • Leistungsaufnahme im Leerlauf: < 150 mW
  • Softstart (abschaltbar via Jumper)
Im Anhang ist der Schaltplan dieses Schaltnetzteils mit 2,5 Watt Ausgangsleistung zu finden, auf den ich mich im Folgenden beziehe.

Über die Klemme K1 wird die Niederspannung zugeführt. Die Sicherung F1 und der Varistor R3G bilden zusammen den Überspannungsschutz. Der Varistor schließt ab einer Netzspannung von 250 VAC Phase und Neutralleiter kurz, wodurch die mittelträge Feinsicherung anspricht und die Schaltung vom Netz trennt. Wer etwas risikofreudiger dimensionieren möchte ersetzt Varistor R3G durch einen 275 VAC-Typ.

Im Brückengleichrichter BR1 wird die Netzspannung in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt. Der verwendete Typ verkraftet Eingangsspannungen bis 700 VAC bei einer Stromstärke von 2,0 A. Durch den im Schaltregler integrierten Frequenzjitter sowie der geringen Ausgangsleistung des Netzteils ist es möglich, die leitungsgebundenen Störungen nach DIN 55022B mit einem einfachen Tiefpass-LC-Pi-Filter 3. Ordnung bestehend aus den Kondensatoren C3 und C4 sowie der Induktivität L1 einzuhalten. Der Pi-Filter ist auf die Arbeitsfrequenz des Schaltreglers von 130 kHz ausgelegt und übernimmt darüber hinaus die Funktion der Glättung der pulsierenden Gleichspannung. Damit der Filter seine Wirkung voll entfalten kann, ist beim Leiterplattendesgin darauf zu achten, dass die Leiterbahnen zwischen den Bauteilen des Filters möglichst kurz gehalten werden. Sowohl bei C3 als auch bei C4 ist darauf zu achten, dass Typen verwendet werden, welche die anliegende hohe Gleichspannung von bis zu 355 VDC vertragen. Wird ein Varistor eingesetzt, der erst bei 275 VAC kurzschließt, so kann die pulsierende Gleichspannung gem. der Formel VDC = VAC * Wurzel (2) auf 388 VDC ansteigen. Um in diesem Fall wenigstens noch ein paar Sicherheitsreserven bereitzustellen, empfiehlt sich der Austausch der Kondensatoren C3 und C4 gegen Typen, welche 450 V verkraften.

Als zentraler Schaltregler kommt in diesem Anwendungsbeispiel ein TinySwitch-III des Typs TNY274P zum Einsatz (IC1). Dieser Schaltregler kann in Netzteilen mit Maximalleistungen von bis zu 6 Watt eingesetzt werden, die in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht werden. Wird das Netzteil in belüfteten Gehäusen eingesetzt, können mit diesem Schaltregler Leistungen bis 11 Watt realisiert werden. Der Drain-Anschluss des Schaltreglers ist unmittelbar mit einem Anschluss der Primärwicklung des Übertragers T1 verbunden. Die Spannungsversorgung des Schaltreglers erfolgt ebenfalls über den Drain-Anschluss. Die Spannung wird über die Primärwicklung des Übertragers, dessen zweiter Anschluss mit der primärseitigen positiven Versorgungsspannung, dem sog. Hot Rail, verbunden ist, bezogen. Um das DIP-8-Gehäuse des Schaltreglers auch bei hohen Leistungen ausreichend kühlen zu können, sind gleich vier Source-Anschlüsse vorgesehen, die alle mit der primärseitigen Masse verbunden sind. Die Kühlung erfolgt über Masseflächen auf der Leiterplatte; dazu später mehr.

Der Anschluss EN/UV (Enable/Under-Voltage) des Schaltreglers wird im einfachsten Fall lediglich mit dem Kathodenanschluss des Optokopplers (hier IC2) verbunden und wertet das Flyback-Signal der sekundärseitigen Spannungsüberwachung aus. Im vorliegenden Fall wird darüber hinaus die integrierte Under-Voltage-Detection genutzt. Hierzu ist der Anschluss EN/UV des Schaltreglers zusätzlich über R1 und R2 mit dem Hot Rail verbunden. Fällt die primärseitige Spannungsversorgung unter einen definierten Wert, wird die Energieübertragung zur Sekundärseite für die Dauer von 2,5 Sekunden abgeschaltet. Auf diese Weise werden Spannungsschwankungen, welche im Netz selbst auftreten oder bei der Trennung des Netzteils vom Stromnetz auftreten können, kompensiert, welche normalerweise zu einem schnellen Ein- und Ausschalten des Netzteils führen würden.

Der Anschluss BP/M (Bypass/Multi-Function) des Schaltreglers IC1 ist im vorliegenden Fall lediglich mit dem Bypass-Kondensator C2 beschaltet, der einerseits als Stützkondensator für die interne Gleichspannung des Schaltreglers dient und andererseits die Strombegrenzung durch die Primärwicklung des Übertragers definiert. Mit der angegebenen Kapazität von 100 nF für C2 arbeitet der Schaltregler mit einer Strombegrenzung von 10,9 mA. Zusätzlich lassen sich durch externe Beschaltung dieses Anschlusses weitere Funktionen wie Überspannungsschutzschaltung oder Power-Down-Funktionalitäten implementieren. Um die Schaltung nicht zu überfrachten, wurde darauf verzichtet.

Zur Klemmung der hohen Induktionsspannungen an der Primärwicklung des Übertragers T1 dienen die Dioden D1 und D2. Die Spannungs-Begrenzer-Diode D1 vom Typ P6KE200A gegrenzt die auftretenden Spannungen auf max. 274 V. Treten höhere Spannungen auf, werden diese über D2, eine Fast-Recovery-Gleichrichterdiode vom Typ BA159 mit einer Spitzensperrspannung von 800 V, kurzgeschlossen. Diese Klemmung ist notwendig, um den Leistungs-MOSFET im Schaltregler zu schützen.
Kondensator C1 fungiert als Transientenschutz des Schaltnetzteils. Spannungsspitzen können sowohl primärseitig, bspw. verursacht durch das Einschalten anderer Verbraucher im Niederspannungsnetz, wie auch sekundärseitig, bspw. beim Schalten induktiver Lasten, auftreten. Bei der Wahl des geeigneten Kondensators ist unbedingt darauf zu achten, dass dieser über Y2-Klassifikation bei entsprechender Spannungsfestigkeit verfügt. Im hier dargestellten Anwendungsfall wurde ein Typ verwendet, der bis zu 1.500 VDC verträgt.

Sekundärseitig wird die hochfrequente Wechselspannung mittels D3, einer Schottkydiode des Typs 1N5819, gleichgerichtet und dem Siebkondensator C6 zugeführt. Widerstand R4 und Kondensator C5 bilden die ausgangsseitige Snubber-Schaltung, welche Transienten, die von der nachgeschalteten Elektronik verursacht werden, schluckt.
Die Überwachung der geglätteten Ausgangsspannung erfolgt durch den Spannungsteiler aus Optokoppler-LED (IC2) und R5 einerseits und der Zenerdiode D4 andererseits. Überschreitet die an diesem Spannungsteiler anliegende Spannung die Durchbruchspannung der Optokoppler-LED, beginnt diese zu leuchten und zieht über den Optokoppler-Transistor das Enable-Signal primärseitig auf Masse, wodurch der Transport weiterer Energiepakete unterbunden wird.
Letzte auftretende Schwankungen in der Ausgangsspannung werden durch den ausgangsseitigen Tiefpass-LC-Filter 2. Ordnung bestehend aus L2 und C8 eliminiert. Die auf +/- 5 % stabilisierte Ausgangsspannung kann an K2 abgegriffen werden.

5 VDC @ 1.500 mA
Technische Daten:
  • Eingangsspannung: 195 - 265 VAC
  • Überspannungsschutz: Schmelzsicherung/Varistor
  • Ausgangsspannung: 5 VDC +/-2%
  • Ausgangsleistung: bis 1.500 mA
  • Effizienz: > 80 %
  • Ripple: < 5 mV
  • Unterspannungsschutz
  • Kurzschlussfest
  • Leistungsaufnahme im Leerlauf: < 150 mW
  • Softstart (abschaltbar via Jumper)

An dem zweiten Anwendungsbeispiel soll verdeutlicht werden, wie flexibel diese Technologie ist. Mit nur wenigen Änderungen wird ein Schaltnetzteil mit dreifacher Leistung realisiert. Im Anhang ist auch der Schaltplan dieses Schaltnetzteils mit einer Ausgangsleistung von 7,5 Watt zu finden.

Die notwendigen Änderungen beschränken auf den EMI-Filter, den Übertrager, den Schaltregler, die Dimensionierung der Gleichrichterdiode und des Siebkondensators im Sekundärkreis. Außerdem erfolgt die Regelung der Ausgangsspannung nun durch einen Präzisionsregel-IC mit entsprechender Beschaltung.

Übrigens: Der Übertrager PNY-05015 ist von den äußeren Abmessungen sowie der Pin-Belegung baugleich zum Übertrager TSD-1460 aus dem ersten Anwendungsbeispiel.

Die folgende Schaltungsbeschreibung beschränkt sich auf die abweichenden Bauteile.
Als EMI-Filter kommt nun ein Line-Filter bestehend aus den Komponenten L1, L3, C3, C4 und R6 zum Einsatz, wobei R6 einer zusätzlichen Dämpfung etwaig auftretender Schwingungen dient. Die höhere Dimensionierung von C3 und C4 ist der höheren Ausgangsleistung geschuldet. Auch in dieser Schaltung übernimmt dieser Filter die Aufgabe der Glättung der pulsierenden Eingangsgleichspannung.

Als Schaltregler IC1 kommt nun ein TinySwitch-III des Typs TNY276PN zum Einsatz, mit dem Schaltnetzteile, die in geschlossenen Gehäusen untergebracht werden, mit einer Maximalleistung von 10 Watt realisiert werden können. Pin-Belegung und Beschaltung sind identisch zum TNY274P aus dem ersten Anwendungsbeispiel.

Sekundärseitig wurde auf eine Schottkydiode D3 des Typs 1N5822 zurückgegriffen, die einer Stromstärke bis zu 3 A gewachsen ist. Auch die Kapazität des sekundärseitigen Siebkondensator C6 wurde mit 2.200 µF mehr als verdoppelt.
Bemerkenswert ist die Regelung der Ausgangsspannung auf +/-2 % genau, welche rund um den Präzisionsregel-IC TL431 (IC3) aufgebaut ist. Hierbei wird die geglättete Spannung hinter C6 permanent mit der Ausgangsspannung hinter dem Ausgangsfilter aus L2 und C8 verglichen. Während die geglättete Spannung über R7 und der Parallelschaltung aus R5 und der LED im Optokoppler zugeführt wird, wird die Ausgangsspannung über den Spannungsteiler aus R8 und R9 auf 2,5 V herabgesetzt und über den Referenzeingang dem Präzisionsregler IC3 zugeführt. Diese Beschaltung erlaubt eine äußerst präzise Regelung der Ausgangsspannung auch bei starken, lastbedingten Transienten. Bei Schaltnetzteilen, die mit dieser Regeltechnik ausgestattet sind, erübrigt sich der Einsatz eines nachgeschalteten Reglers.

Übrigens: Die Regelschaltung aus dem ersten Anwendungsbeispiel (bestehend aus D4 und R5) und die Regelschaltung, die in diesem Beispiel zur Anwendung kommt (bestehend aus IC3, R5, R7, R8, R9 und C7), sind direkt austauschbar.

Die Übertrager

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2,5 Watt Version - geregelt +/- 2% mit Softstart
2,5 Watt Version - einseitige Leiterplatte 35 x 78 mm
Schaltungsprinzip
Schematics

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