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Switch Mode Power Supply 1

Switch Mode Power Supply

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Switch Mode Power Supply

Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, buck-converter, step-down-converter)

Aufwärtswandler (Hochsetzsteller, boost-converter, step-up-converter)

Invertierender Wandler (buck-boost-converter)

Sperrwandler (flyback-converter)

Eintakt-Durchflusswandler (single-transistor forward-converter)

Halbbrücken-Durchflusswandler (two-transistors forward-converter)

Vollbrücken-Gegentaktwandler (push-pull converter)

Halbbrücken-Gegentaktwandler (single-ended push-pull converter)

Gegentaktwandler mit Parallelspeisung

Gegentakt-Resonanzwandler (resonant converter)

Leistungsfaktor-Vorregelung, PFC (Power Factor Correction)

Sekundär

geta

kte

t P

rim

är

geta

kte

t

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Motivation: Switch Mode Power Supply

Im Vergleich zu analog geregelten Netzteilen (z.B. Linearregler) haben

Schaltnetzteile bemerkenswerte Vorteile.

• Sie arbeiten theoretisch verlustlos, praktisch werden Wirkungsgrade von

70 bis 95% erreicht. Dies führt zu nur geringer Erwärmung und

verbunden damit, zu hoher Zuverlässigkeit.

• Hohe Taktfrequenzen führen zu kleinen Bauteilgrössen und Gewicht.

Daraus resultiert sehr gute Wirtschaftlichkeit in der Herstellung und im

Betrieb.

Quelle: Korries- Schmidt

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Grundprinzip: Schaltnetzteile

Schaltnetzteile arbeiten grundsätzlich alle nach dem gleichen Prinzip:

• Mittels eines «Schalters» (z.B. Transistor) werden Energieportionen mit einer

hohen Taktfrequenz (20 und 300kHz) aus der Eingangsspannungsquelle

entnommen.

• Das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit des Schalters bestimmt

den mittleren Energiefluss. Am Ausgang jeden Schaltnetzteiles befindet sich

ein Tiefpass, der den diskontinuierlichen Energiefluss glättet.

• Sowohl Schalter als auch Tiefpass arbeiten theoretisch verlustlos. Daraus

resultiert der hohe Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen.

• Trotz des gemeinsamen Prinzips können Schaltnetzteile im Einzelnen jedoch

sehr unterschiedlich konstruiert sein.

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Primär getaktete Schaltnetzteile bieten eine galvanische Trennung zwischen

Eingang und Ausgang.

Die Schalttransistoren arbeiten auf der Primärseite des Transformators. Die

Energie wird mit einer hohen Taktfrequenz über einen Hochfrequenz-

Transformator auf die Sekundärseite übertragen.

Vollbrücken-Gegentaktwandler

Schaltnetzteile: Primär- und sekundär getaktet

Man unterscheidet zwischen sekundär - und primär getakteten Schaltnetzteilen.

Sekundär getaktete Schaltnetzteile weisen keine galvanische Trennung zwischen

Eingang und Ausgang auf.

Sie werden überall dort eingesetzt, wo bereits eine galvanische Trennung zur

Netzspannung vorhanden ist, oder wo keine galvanische Trennung benötigt wird

(z.B. bei Batteriebetrieb).

Buck- und Boost-Converter sind sekundär getaktete DC-DC Wandler

Buck-Converter

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Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandler

Leistungsfaktor-Vorregler

Man unterscheidet unter den primär getakteten Wandlern die Sperr-,

Durchfluss- und Resonanzwandler:

• Sperrwandler übertragen die Energie von der Primärseite zur

Sekundärseite während der Sperrphase der Transistoren,

• Durchflusswandler übertragen während der Leitphase der Transistoren.

• Resonanzwandler benutzen einen Schwingkreis, um die Transistoren im

Strom- oder Nulldurchgang schalten zu lassen, um auf diese Weise die

Belastung der Halbleiter während des Schaltvorganges zu reduzieren.

Die Leistungsfaktor-Vorregler (englisch: Power-Factor Pre-Regulator) zählen

auch zu den Schaltnetzteilen. Sie sorgen dafür, dass der Netzstrom nahezu

sinusförmig ist.

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Abwärtswandler

Tiefsetzsteller, buck-converter, step-down-converter

• Ua Ue

• Kurzschluss- und Leerlauffestigkeit leicht realisierbar

• Ansteuerung muss "floaten"

• Einsatzgebiet: Ersatz für analoge, längsgeregelte Netzteile

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Abwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe

Solange IL nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend),

ist IL zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb.

T

tD 1

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Aufwärtswandler

Hochsetzsteller, boost-converter, step-up-converter

• Ua Ue

• Nicht kurzschlussfest

• bei ungeregelter Ansteuerung nicht leerlauffest

• Einsatzgebiet: Batterieversorgung für Notebooks, Mobiltelefone,

Photoblitze, etc.

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Aufwärtswandler: Strom- und Spannungsverläufe

T

tD 1

Solange IL nie Null wird haben wir den kontinuierlichen Betrieb (nicht lückend),

ist IL zwischendurch Null so haben wir den lückenden Betrieb.

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Invertierender Wandler

buck-boost-converter

• Ua < 0V

• Kurzschlussfestigkeit leicht realisierbar

• Bei ungeregelter Ansteuerung nicht leerlauffest

• Einsatzgebiet: Erzeugung einer zusätzlichen negativen

Betriebsspannung aus einer gegebenen positiven.

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Invertierender Wandler:

Strom- und Spannungsverläufe

D

DU

tT

tUU eea

11

1

T

tD 1

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Sperrwandler

Flyback-converter

• Mehrere, galvanisch getrennte Ausgangsspannungen über einen

Regler regelbar

• Leistung bis einige 100W, z.B. Fernsehgeräte, Personal-Computer,

Drucker, etc..

• Grosser Regelbereich (Weitbereichsnetzteil 85...270VAC möglich)

• Transistorsperrspannung UDS 2Ue

• Sehr gute magnetische Kopplung notwendig

• Grosser Kern mit Luftspalt notwendig

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Sperrwandler : Strom- und Spannungsverläufe

D

D

N

NU

tT

t

N

NUU eea

11

2

1

1

1

2

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Durchflusswandler

Eintakt-Durchflusswandler

Eine Variante des Durchflusswandlers ist der Eintakt-Durchflusswandler

(englisch: single transistor forward converter)

• Eine galvanisch getrennte, regelbare Ausgangsspannung

• Leistung bis ca. 1kW


• Tastverhältnis tein/T0.5

• Sehr gute magnetische Kopplung notwendig

• Kleiner Kern ohne Luftspalt

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Eintakt-Durchflusswandler:


DN

NU

T

t

N

NUU eea

1

21

1

2

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Durchflusswandler

Halbrücken-Durchflusswandler

Eine Variante des Eintaktdurchflusswandlers ist der

Halbbrücken-Durchflusswandler (englisch: two transistor forward

converter)


• Leistung bis einige kW

• Transistorsperrspannung UDS = Ue

• Tastverhältnis tein/T0.5

• Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt

• Keine besonders gute magnetische Kopplung notwendig

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Gegentaktwandler

Vollbrücken-Gegentaktwandler

Der Vollbrücken-Gegentaktwandler (englisch: Push-pull converter) ist für

höchste Leistungen geeignet.


• Leistung bis viele kW


• Kleiner Transformatorkern ohne Luftspalt


• Symmetrierungsprobleme

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Gegentaktwandler: Vollbrücken-Gegentaktwandler

I1

DN

NU

T

t

N

NUU eea

1

21

1

2

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Gegentaktwandler

Gegentaktwandler mit Parallelspeisung

Eine Variante des Gegentaktwandlers ist Gegentaktwandler mit

Parallelspeisung.


• Leistung bis einige 100W



• Sehr gute magnetische Kopplung zwischen den Primärwicklungen

notwendig


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Gegentaktwandler

Halbbrücken-Gegentaktwandler

Eine Variante des Gegentaktwandlers ist der Halbbrücken-

Gegentaktwandler (englisch: Single-ended push-pull converter). Die

Kondensatoren C1 und C2 teilen die Eingangsspannung Ue in zweimal Ue/2.


• Leistung bis einige kW





C1

C2

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Resonanzwandler (resonant converter)

Bei Resonanzwandlern (englisch: resonant converter) sorgt ein

Resonanzkreis dafür, dass die Transistoren im Strom- oder

Spannungsnulldurchgang ausgeschaltet werden können.

Dadurch werden die Schaltverluste in den Transistoren, als auch die

elektromagnetische Störungen vermindert. Man unterscheidet zwischen

ZVS- und ZCS-Resonanzwandlern (ZVS: Zero Voltage Switching, ZCS:

Zero Current Switching).

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Gegentakt-Resonanzwandler

Beispiel: ZCS (Zero Current Switching)-Gegentakt-Resonanzwandler

Der Resonanzkreis wird von L und C gebildet.

LCf

2

1:equenzResonanzfr 0

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Gegentakt-Resonanzwandler:


1

2

2 N

NUU e

a

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Gegentakt-Resonanzwandler

Vorteile vom ZCS (Zero Current Switching)-Gegentakt-Resonanzwandler

gegenüber traditionellen Schaltnetzteilen:

• Leerlauf- und Kurzschlussfestigkeit funktionieren ohne elektronische

Überwachung.

• Geringe Schaltverluste und elektromagnetische Störungen.

• Der ZCS-Gegentakt-Resonanzwandler kann wie der Sperrwandler

mehrere Ausgangsspannungen über einen Regler regeln. Da mehrere

Ausgangsspannungen auf der Primärseite des Transformators wie

parallelgeschaltet erscheinen, fliesst die Energie immer in die

niedrigste Ausgangsspannung.

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Regelung von Schaltnetzteilen

Die Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen wird mittels einer

geschlossenen Regelschleife konstant gehalten.

Der Regelkreis hat dabei die Aufgabe Netzschwankungen sowie

Laständerungen auszugleichen. Man nennt dies Netzausregelung und

Lastausregelung (englisch: Line regulation, Load regulation).

Man unterscheidet zwei Regelverfahren:

Die sogenannte voltage-mode- und die current-mode-Regelung.

Das voltage-mode-Verfahren kann hierbei als "traditionelle"

Schaltnetzteilregelung angesehen werden.

Es ist heutzutage von der current-mode Regelung fast vollständig verdrängt.

Moderne Schaltregler-ICs sind fast ausschliesslich current-mode Regler.

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Voltage-mode-Regelung

Die Ausgangsspannung Ua wird über den Spannungsteiler R1,R2 mit der

Referenzspannung Uref verglichen und über den PI-Regler verstärkt.

Ein Pulsweitenmodulator (PWM) wandelt die Ausgangsspannung des PI-Reglers

U2 in eine pulsweitenmodulierte Spannung (Tastverhältnis: t1/T).

Der Ausgang des Pulsweitenmodulators steuert den MOSFET.

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Current-mode-Regelung

Die Ausgangsspannung Ua wird über den Spannungsteiler R1,R2 mit der

Referenzspannung Uref verglichen und über den PI-Regler verstärkt.

Die Spannung U2 am Ausgang des PI-Reglers wird mit der rampenförmigen

Spannung an dem Strommesswiderstand Ri verglichen.

Der Ausgang des Komparators setzt ein RS-Flip-Flop zurück und schaltet damit

den MOSFET aus. Eingeschaltet wird der MOSFET von der positiven Flanke des

Taktsignals (Clock), ausgeschaltet wird der FET, wenn die Rampenspannung an

Ri die Spannung U2 erreicht.

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Vergleich: Voltage- und Current-mode-Regelung

Beim current mode-Regler regelt der PI-Regler praktisch verzugslos den

Drosselstrom und damit näherungsweise auch den Ladestrom des

Ausgangskondensators.

Die Regelstrecke besteht nur noch aus dem Kondensator Ca und dem

Lastwiderstand RL mit der Eingangsgrösse ID und der Ausgangsgrösse Ua.

Die Regelstrecke hat PT1-Verhalten und Ausgleichsvorgänge beschreiben eine

e-Funktion.

Vereinfachtes Blockschaltbild für die current-mode-Regelung

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Vergleich: Voltage- und Current-mode-Regelung

Vereinfachtes Blockschaltbild für die voltage-mode-Regelung

Beim voltage-mode-Regler wird das Tastverhältnis t1/T geregelt, d.h. die

Spannung über L. Diese ändert erst den Drosselstrom und dann die

Ausgangsspannung.

Hier hat die Regelstrecke PT2-Verhalten und Ausgleichsvorgänge beschreiben

einen nur schwach bedämpften Einschwingvorgang 2.Ordnung, d.h. die

Ausgangsspannung strebt sinusförmig dem Endwert zu.

Der current-mode-Regler zeigt damit deutlich besseres Regelverhalten.

Dies ist der Grund, warum heutzutage fast ausschliesslich diese Regler

eingesetzt werden.

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Leistungsfaktor-Vorregelung

Die europäische Norm EN61000-3-2 definiert Grenzwerte für den

Oberschwingungsgehalt des Netzstromes für Geräte, die für den Verkauf an die

allgemeine Öffentlichkeit vorgesehen sind und die eine Wirkleistungsaufnahme

von 75W haben.

Dies bedeutet, dass die einfache Netzgleichrichtung mittels Brückengleichrichter

und folgender Siebung vielfach nicht zulässig ist, weil der einen zu hohen

Oberschwingungsgehalt aufweist.

Quelle: Kories; Schmidt-Walter

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Hochsetzsteller mit Leistungsfaktor-Vorregelung

und Netzfilter gegen elektromagnetischen Störungen

Netzfilter


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Einige Grenzwerte der EN61000-3-2-Norm

Oberschwingungs-

ordnung n

Wirkleistungsaufnahme

75 bis 600W

Zulässiger Höchstwert des

Oberschwingungsstromes

je Watt (mA/W) / Maximum (A)

Wirkleistungsaufnahme >600W

Zulässiger Höchstwert des

Oberschwingungsstromes (A)

3 3.4 / 2.3 2.3

5 1.9 / 1.14 1.14

7 1 / 0.77 0.77

9 0.5 / 0.4 0.4

11 0.35 / 0.33 0.33

Zulässige Effektivwerte der Netzoberschwingungsströme

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Beispiel: Oberwellen des Netzstromes

PL=U2/RL

100W=ca.1502/220

N1 N2

TR1

+

U_Netz

R_LastC V+

VM1

A+

AM1

A+

AM2

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Beispiel: Oberwellen des Netzstromes

PL=100W

N1 N2

TR1

+

U_Netz

R_LastC V+

VM1

A+

AM1

A+

AM2

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Um den Netzstrom näherungsweise sinusförmig zu halten, benutzt man z.B. einen

Aufwärtswandler.

Diesen nennt man dann Leistungsfaktor-Vorregler (Power Factor Pre-Regulator).

Als Abkürzung ist auch PFC (Power Factor Correction) gebräuchlich.

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Für die Regelung und Steuerung des Schalttransistors stehen diverse integrierte

Schaltkreise (PFC-Controller) zur Verfügung.

Es werden grundsätzlich zwei Regelkreise benötigt:

Der erste Regelkreis, regelt den Eingangsstrom so, dass er proportional zum

Augenblickswert der Eingangsspannung ist.

Denn wenn dieser Strom der sinusförmigen Eingangsspannung folgt, ist auch der

Netzstrom sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung, und dementsprechend

ist der Leistungsfaktor gleich Eins. Stromregelkreis.

Ein zweiter Regelkreis wird benötigt, der den Effektivwert des Drosselstromes so

führt, dass die mittlere Ausgangsspannung des Leistungsfaktor-Vorreglers trotz

unterschiedlicher Ausgangsleistung konstant bleibt. Spannungsregelkreis.

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Detaillierte Funktionsweise siehe Kories, Schmidt-Walter.

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PFC-Controller

PFC-Controller

Netzfilter Standard- und Medizinalversion,

IEC 60939, IEC 60601-1, UL 1283, UL

544, CSA C22.2 no. 8

Netzfilter

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Beispiel: Netzfilter (Funkentstörfilter )

Netzfilter (Funkentstörfilter) zur Unterdrückung von elektromagnetischen

Störungen.

wyrs,


Schaltnetzteile erreichen hohe Wirkungsgrade von 70 bis 95%

und haben darum geringer Erwärmung und eine hohe

Zuverlässigkeit.

Hohe Taktfrequenzen bewirken zu kleinen Bauteilgrössen was in

einer sehr guten Wirtschaftlichkeit führt.

Es gibt sekundär - und primär getaktete Schaltnetzteilen. Sekundär

getaktete Schaltnetzteile weisen keine galvanische Trennung

zwischen Eingang und Ausgang auf.

Die Leistungsfaktor-Vorregler sorgt dafür, dass der Netzstrom

nahezu sinusförmig ist.

Zusammenfassung

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