Wie wählt man die richtige AC/DC-Wandler -Topologie aus ?

Wenn die Stromversorgungssystementwickler ein neues Design von einem neuen Wechselstromwandler beginnen, werden sie sofort mit der wichtigen Wahl der Topologie konfrontiert. Im Großen und Ganzen werden mindestens sieben verschiedene Topologien von Anbietern von integrierten Stromsteuerungsschaltungen unterstützt. Jede hat unterschiedliche Vor- und Nachteile. Was ist also der beste Weg, die Topologie für eine bestimmte Anwendung zu wählen?

Dieser Artikel enthält Richtlinien, um dabei zu helfen, die ausgewählte Palette von Topologien für eine detaillierte Evaluierung einzugrenzen. Mit Leitlinien wie dieser, erkennen Designer, dass sie ihre Forschung optimieren und eine solide Wahl der Topologie zu Beginn eines neuen Projekts effektiver gestalten können.

Wie jeder erfahrene Stromversorgungsdesigner zugeben wird, ist die Geschichte voll mit Beispielen von fehlgeschlagenen oder verzögerten Projekten, deren Untergang direkt mit Entscheidungen zu Beginn des Projekts in Verbindung gebracht werden können. Vor der Einführung der Bewährte-Praktiken-Leitlinien zur Topologieevaluierung, lohnt es sich, zuerst die Faktoren zu verstehen, die Wechselstromwandlerdesigns in ihrem frühesten Stadium untergraben.

Die Ursachen der Topologiefehleinschätzung

In dieser Autorerfahrung ist die häufigste Ursache von Designfehlschlägen bei Wechselstromwandlerprojekten entweder technische Fehleinschätzung oder menschliches Verhalten.

Auf der technischen Seite sind unerfahrene Designer anfällig dafür, eine grobe Faustregel basierend auf der maximalen Stromladung, die der Wandler unterstützen muss, zu verwenden. Die Stromleistung ist natürlich ein wichtiger Parameter – aber sie ist bei Weitem nicht der einzige, der von der Wahl der Topologie betroffen ist.

Systemgröße und ‑gewicht, Systemkosten, Energieeffizienz, thermische Effizienz, Komplexität und EMB sind alles Faktoren, die der Designer mit der richtigen Topologie optimieren kann. Es sollte auch anerkannt werden, dass diese Faktoren von einander abhängig sind. Eine komplexe nullstromschaltende (NSS) Topologie wird weit weniger schwerwiegende EMB-Effekte produzieren als ein einfaches hartgeschaltetes Schema. Die zu Beginn der Planung eines Designs getroffenen Entscheidungen sollten nicht nur die technischen Spezifikationen des Produktdesigns widerspiegeln, sondern auch die Möglichkeiten des Entwicklungsteams und dafür verfügbaren Entwicklungszeit. Ein Entwicklungsteam mit profundem Fachwissen in EMB-Minderung und EMV-Konformität wäre zum Beispiel glücklich, eine hartgeschaltete Topologie statt der komplexen NSS-Alternative zu verwenden.

Der andere Faktor, der in der Praxis die Auswahl einer guten Topologie untergräbt, ist menschlicher Natur. Es ist üblich – und nur allzu verständlich – die anfängliche Topologiewahl überhastet zu treffen, um schneller zur Hardwareentwicklung überzugehen. Das ist oft der Fall, weil ein Manager dann einen funktionierenden Prototypen sehen – und möglicherweise davon beeindruckt sein – kann: Es ist ein sichtbares Zeichen des Projektfortschritts. Die Wahrheit ist auch, dass das entwerfen von Schaltungen und Zusammenbau von Platinen mehr Spaß macht und interessanter ist als Topologien au dem Papier zu erforschen.

Ein anderes häufiges menschliches Versagen unter Ingenieuren erschwert noch Stromversorgungssystem-Designprojekte: eine Vorliebe für einsame technische Problemlösung statt Zusammenarbeit und Teamwork. Eine Auswahl der Topologie erfordert normalerweise eine sorgfältige Abwägung der verschiedenen Kompromisse auf Systemebene. Zum Beispiel eine Entscheidung, welche die Stücklistenkosten reduziert, aber andererseits die Größe des Wechslers erhöht, was sich auf logistische Maßnahmen auswirken und die Transportkosten für das Endprodukt als Ganzes erhöhen könnte – Faktoren, die weit über die Verwaltungsbefugnis der technischen Abteilung hinaus gehen. Eine ganzheitliche Sicht auf alle Kosten des gesamten Lebenszyklus des Produkts kann dem Entwicklungsingenieur dabei helfen, bessere und fundiertere Komponentenentscheidungen zu treffen.

Insgesamt zeigt die Erfahrung, dass die Nichtberücksichtigung des breiteren kommerziellen Umfelds zu Verzögerungen oder gar Stornierungen führen kann.

Frühe Fehler bei Leistungsentwicklungsprojekten vermeiden

Die Frage, die sich aufgrund der obigen Diskussion stellt, ist: Wie kann diese Art von Fehler am besten vermieden werden?

Die offensichtliche Antwort ist natürlich, das Gegenteil der fehlerhaften Ansätze zu tun:

• Arbeiten Sie intensiv mit Kollegen in den verschiedenen Abteilungen zusammen, um relevante Beiträge zu allen Faktoren zu erhalten, die von der Topologieauswahl betroffen sind.
• Stellen Sie gründliche Nachforschungen zu allen anwendbaren Topologien an und wägen Sie alle Faktor ab, die von der Wahl betroffen sind.

Diese zweite Empfehlung mag herausfordernd erscheinen, weil es so viele Topologiewahlmöglichkeiten zu bewerten gibt. Tatsächlich ist es nicht so erschreckend, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, denn für eine bestimmte Leistung ist es normalerweise möglich, die Auswahl auf zwei oder drei geeignete Topologien einzugrenzen.

Tabelle 1 dient dazu, diese erste Beurteilung zu erleichtern: Sie bietet eine Wertung für jede Topologie zu jedem technischen Faktor, der berücksichtigt werden sollte, wobei die beste Topologie eine Bewertung von 5 und die schlechteste eine Bewertung von 1 hat. Die Ergebnisse stellen einen groben Anhaltspunkt dar und erfahrene Stromversorgungssystemdesigner werden den einen oder anderen Wert infrage stellen. Insgesamt bietet diese Tabelle jedoch einen nützlichen Leitfaden, um sich beim Evaluierungsprozess zu orientieren und bei der Kompromissdiskussion mit Kollegen zu informieren.

Tabelle 1: Rangordnung der verschiedenen Wechselwandlertopologien. In der Spalte Leistungsfaktorkorrektur, CrCM = kritischer Leitungsbetrieb und CCM = Dauerleitungsbetrieb

Auswirkungen von neuen Technologieoptionen

Über die Wahl der Topologie hinaus gibt es noch ein anderes wichtiges Element in der Designernachforschung vor der Hardwareimplementierung: die Entdeckung neuer Komponenten oder Technologien, welche die Landschaft verändert haben, seit frühere Designprojekte umgesetzt wurden.

Heute sollten zum Beispiel viele Wechselstromwandlerdesigner die Nutzung der neuen Bandlücke-Siliziumkarbid(SiC)- oder -Galliumnitrid(GaN)-Leistungskomponenten, die ein viel schnelleres Umschalten als Siliziumäquivalente unterstützen und bei höheren Temperaturen arbeiten können.

Wenn die Designpriorität ist, Größe und Gewicht gering zu halten und eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, werden diese Eigenschaften besonders attraktiv. SiC-MOSFETs, die heute in Produktionsmengen von Zulieferern wie STMicroelectronics, ROHM Semiconductor und Microsemi (jetzt ein Mikrochipunternehmen) erhältlich sind, ermöglichen die Verwendung kleinerer Kondensatoren und Induktoren, was die Größe der vollständigen Wandlergruppe reduziert. Die höhere maximale Betriebstemperatur von SiC-Geräten kann es Entwicklern manchmal auch ermöglichen, einen Lüfter bzw. Kühlkörper wegzulassen, der für ein Design mit Silizium-MOSFETs benötigt worden wäre, selbst in einem dicht bestückten Gehäuse mit begrenzter Zirkulation von Kühlluft.

Die X-Gan-GaN-hohe- Elektronenmobilitätstransistoren (HEMTs) von Panasonic bieten ähnliche Vorteile bei der GaNdalf-Referenzdesignplatine von Future Electronics (siehe Abbildung 1). Dieses Design zeigt die brückenlose Totem-Pole-Topologie in der Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Phase eines <1-kW-Wechselstromnetzteils. Die Verwendung von GaN-Transistoren hilft dem Kreislauf einen hohen Wirkungsgrad von mehr als 99,0 % in der PFC-Phase zu erreichen.

Abb. 1: die GaNdalf-Wechselstromnetzteil-Referenzplatine von Future Electronics

Das andere wichtige neue Produktkonzept, welches das Wechselstromwandlerdesign heute beeinflusst ist die Integration des primären und sekundären Controllers in einem einzigen integrierten Schaltkreis für Wandler, die weniger als 80 W liefern. Dieser Ansatz wird durch einen innovativen integrierten Leistungscontrollerschaltkreis von Monolithic Power Systems ermöglicht. Der MPX2001 bietet eine vollständig integrierte Lösung für Sperrwandlerdesigns.

Es ist ein Rückflusscontroller mit integrierter primärer und sekundärer Steuerung und einem synchron Gleichrichtungstreiber mit kapazitiver Entkopplung. Mithilfe des MPX2001 kann die Systemkomplexität reduziert werden, da kein Feedbackkreislauf benötigt wird. Dies reduziert auch die gesamten Stücklistenkosten. Gleichzeitig kann ein synchroner Gleichrichter perfekt mit dem treibenden Signal des primären MOSFET abgeglichen werden. Mit dieser Funktion kann der Gleichrichter sicher im Dauerleitungsbetrieb betrieben werden, was dabei hilft, die allgemeine Effizienz zu erhöhen und dem Design zu mehr Flexibilität verhilft.

Abb. 2: der MPX2001-Evaluierungskit, ein kleines Design als Demonstration von einem Computer- oder Smartphonenetzteils oder ‑lädegeräts. (Bildnachweis: Monolithic Power Systems)

Die hohe Effizienz von MPX2001-basierten Wechselstromwandlern wird vom EVKT-MPX2001-45-PD-Evaluierungskit von Monolithic Power Systems demonstriert (siehe Abbildung 2). Dies ist ein Design für einen 45-W-USB-Stromversorgungsadapter für die Stromversorgung über einen USB-Typ-C-Anschluss. Es überschreitet bei Weitem die Effizienzanforderungen der Standards „Level VI“ des amerikanischen Energieministeriums und des europäischen CoC Stufe 2. Energieverbrauch bei Nulllast liegt bei < 0,075 W.

Durch die Kombination von verbesserten Komponententechnologien, umfassende Betrachtung der kontrastierenden Vor- und Nachteile für jede Wandlertopologie und ein Verständnis für die Anforderungen der anderen Abteilungen über das technische Labor hinaus können Stromversorgungssystemdesigner ihren Produkten die beste Chance auf einen erfolgreichen Abschluss geben – und gleichzeitig die Designvorgaben des Endprodukts zu erreichen oder übertreffen.

Von Riccardo Collura.
Northern Europe Power Specialist Field Application Engineer, Future Electronics
www.futureelectronics.com