Vermeidung von Energieverschwendung durch EcoSmart

Vermeidung von Energieverschwendung durch EcoSmart
Stefan Bäurle, Tekelec Europe (in Zusammerarbeit mit Power Integrations)
Einleitung
Durch linear geregelte Netzteile und Standbyanwendungen, wie sie z.B. in TV, Videorekorder oder Fax zum Einsatz kommen, wurden laut einer vom Umweltbundesamt in Auftrag gegebenen Studie 1995 über 20 Milliarden kWh Energie in deutschen Haushalten und Büros
verschwendet. Das entspricht dem 1,5-fachen Jahresverbrauch der Stadt Berlin oder 1,5%
der gesamten CO2-Emission in Deutschland. Bisherige Netzteilkonzepte, die einen geringeren Leistungsverbrauch bei kleiner bzw. keiner Last aufweisen, scheiterten jedoch stets
an dem zu hohen Preis. Mit der nachfolgend vorgestellten Technologie ist es nun durch
einen völlig neuen Ansatz erstmals möglich, äußerst kostengünstige Stromversorgungen zu
realisieren, die im Leerlauf weniger als 100mW vom Netz aufzunehmen und somit beiden
Anforderungen gerecht werden.
Die EcoSmart Technologie
Um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, kommen nur getaktete Stromversorgungen in Frage.
Übliche Schaltnetzteilkonzepte (z.B. PWM geregelt) waren jedoch bei Ausgangsleistungen
unter 5 Watt zu teuer und wurden deshalb nur bei erweiterten Anforderungen, wie z.B. Gewicht, Größe oder weltweiter Eingangsspannungsbereich, verwendet. Aus diesem Grund ist
mit der TinySwitch Familie eine neue Art von hochintegrierten Reglern entwickelt worden, die
nicht nur eine Kostenreduzierung des Leistungshalbleiters und der Regelung mit sich bringt,
sondern wegen der einfachen Funktionsweise die Systemkosten primär getakteter Netzteile
unter 10W Ausgangsleistung in Bereiche vordringen läßt, die bisher nur linear geregelten
Netzteilen vorbehalten war.
Bild 1. Vereinfachtes Blockdiagramm des digitalen Schaltreglers TinySwitch
TinySwitch beinhaltet einen 700V Leistungs-MOSFET, Oszillator, Cycle-by-Cycle
Strombegrenzung mit Ausblendung kapazitiv bedingter Stromspitzen beim Durchschalten
des MOSFET, Temperaturüberwachung, Anlaufschaltung, Unterspannungsabschaltung
sowie eine Enable-Logik. Bild 1 zeigt zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild mit allen
wichtigen Funktionen. Die Taktfrequenz ist intern auf 44kHz getrimmt. Dies bietet mehrere
Vorteile: Zum Einen werden bei größeren Schaltfrequenzen die kapazitiven Schaltverluste im
MOSFET zum dominierenden Faktor in Netzteilen kleiner Leistung. Gleichzeitig kann anstatt
der üblichen RCD-Klemmung nun auf eine einfachere RC-Beschaltung zurückgegriffen
werden. Zweitens befinden sich bei 44kHz neben der Grundwelle auch noch die erste und
zweite Oberwelle unter 150kHz wo die EMV-Anforderungen nicht besonders streng sind und
somit einfachere EMV-Filter möglich sind.
Da der Stromverbrauch des TinySwitch auf maximal 150µA abgesenkt worden ist, kann der
Baustein jetzt während der ganzen Zeit über einen integrierten Längsregler direkt über den
Drain-Pin versorgt werden. Es entfällt somit die Hilfswicklung am Übertrager, wie sie bei
allen anderen Schaltnetzteilkonzepten notwendig ist. Der 100nF Kondensator am BypassPin dient zur Pufferung der Betriebsspannung von 5,8V.
Bei jeder steigenden Flanke des internen Taktes wird der Enable-Pin abgetastet. Fließen aus
dem Enable-Pin mehr als 50µA überspringt TinySwitch die Einschaltperioden solange bis nur
noch 40µA fließen. Sobald diese Schwelle unterschritten ist, beginnt er wieder zu takten und
es kann Energie zum Ausgang transferiert werden. Der Strom bewegt sich also ständig
zwischen diesen beiden Punkten und es wird lediglich Energie übertragen, wenn sie benötigt
wird. Bild 2 zeigt die Verläufe der interessantesten Signale bei kleiner Last am Ausgang.
Bild 2. Signalverläufe am TinySwitch bei kleiner Last
Sobald der MOSFET durchschaltet steigt der Strom in der Primärinduktivität linear an. Die
Einschaltperiode wird nach dem Erreichen der Strombegrenzung beendet. Damit wird
jedesmal ein gleich großes Energiepaket zur Sekundärseite übertragen, welches nur durch
die Strombegrenzung und die Primärinduktivität (½ LP ILIMIT2) festgelegt ist. Es ergibt somit
sich
eine
Begrenzung
der
Ausgangsleistung
über
den
gesamten
Eingangsspannungsbereich. Gleichzeitig wird dadurch der 100Hz Brumm am Ausgang
(verursacht durch die Brückengleichrichtung am Eingang) unterdrückt. Überspringt
TinySwitch eine Schaltperiode, wird intern die Taktfrequenz von 44kHz auf 88kHz
verdoppelt. Es kann somit auf mögliche Laständerungen zweimal so schnell reagiert werden.
Gleichzeitig entsteht ein Jittern der Phasenlage der in der Schaltung auftretenden
Schaltfrequenz am Drain, was zur Folge hat, daß vorhandene Störenergie in einer Frequenz
über ein weites Band ausgebreitet wird und sich dadurch geringere Störpegel bei
Störaustrahlungsmessungen ergeben.
Eine einfache Hilfsstromversorgung
Abbildung 3 zeigt die vollständige Schaltung eines AC/DC-Wandlers mit weltweitem
Eingangsspannungsbereich und einem 5V/700mA Ausgang. Es fällt der einfache Übertrager
auf, der trotz galvanischer Trennung nur zwei Wicklungen hat und deshalb mit weniger
Fertigungsschritten und somit wesentlich kostengünstiger zu fertigen ist. Eine sonst
üblicherweise notwendige Hilfswicklung entfällt, da der Baustein ja über den Drain-Pin
versorgt wird. Die Ausgangsspannung ist mittels der Z-Diode VR1 und dem Spannungsabfall
an der Optokopplerdiode festgelegt. Der Widerstand R2 stellt den Arbeitspunkt der Z-Diode
ein.
Durch das RC-Glied R1 und C2 wird beim Sperren des integrierten MOSFET die
Anstiegsgeschwindigkeit der Drainspannung du/dt verringert. Damit werden höherfrequente
Störemissionen reduziert und die Spannung am Drain beim Sperren des MOSFET sicher
unter 700V gehalten. Zusammen mit dem π-Filter (bestehend aus C1, L1 und C2) und C5
entspricht dieses Netzteil den Anforderungen bezüglich leitungsgebundenen Störungen nach
EN55022, Klasse B. R1 dient zur Bedämpfung der Eigenresonanz von L1.
L1
560µH
D5
UG2B
C6
300µF
10V
R1
1.2kΩ
85-265
VAC
5V ±5%
700mA
C7
100µF
10V
GND
RF1
33Ω
Fusible
L2
1µH
R1
1.5kΩ
1/2W
4x
1N4006
C1
4.7µF
400V
C2
4.7µF
400V
D
U1
TNY254
TinySwitch™
EN
VR1
4V3 ±2%
U2
4N35
BP
R1
680Ω
S
C3
68pF
C4
0.1µF
C5
1nF
Y1
Bild 3. Komplettes 3,5W Schaltnetzteil mit TinySwitch
Da TinySwitch nur taktet wenn nötig, entstehen natürlich auch nur dann Schaltverluste im
Netzteil. Die Verlustleistung wird also mit der Ausgangsleistung skaliert. Man erhält einen
optimierten linearen Wirkungsgradverlauf über den gesamten Ausgangsleistungsbereich. In
Bild 4 ist der Wirkungsgrad der obigen Schaltung einem PWM geregelten Schaltnetzteil mit
konstanter Schaltfrequenz und einem linear geregeltem Netzteil gegenüber gestellt. Selbst
bei einer Last von nur 100mW wird noch ein Wirkungsgrad von 60% errreicht und somit nur
170mW vom Netz aufgenommen.
Bild 4. Wirkungsgradverlauf über der Last
Bild 5. Anlaufverhalten
Abbildung 5 illustriert eine weitere Eigenschaft der neuen EcoSmart Technologie. Da bei
jeder steigenden Flanke des internen Taktes auf eine mögliche Laständerung reagiert wird,
weisen Stromversorgungen mit TinySwitch eine Regelbandbreite von über 40kHz auf, oder
20-25 mal mehr als eine klassische PWM-Reglung. Es überrascht daher nicht, das beim
Anlaufen des Netzteiles kein Überschwingen am Ausgang auftritt sonderen ein rechtwinkliger
Übergang stattfindet. Sobald die Ausgangsspannung (nach nur 2,75msec) den Sollwert
erreicht hat, arbeitet das Netzteil mit einer sichtbar kleinen Schaltfrequenz bis in diesem
Beispiel nach einigen Millisekunden die konstante Last zugeschalten worden ist.
Fazit
Durch die neue EcoSmart Technologie können nun erstmals Stromversorgungen realisiert
werden, die selbst bei kleinsten Ausgangsleistungen noch sehr hohe Wirkungsgrade
aufweisen und im Leerlauf praktisch keine Energie vergeuden. Gleichzeitig werden wegen
der Einfachheit des Konzeptes preislich Regionen erreicht, die bisher nur linear geregelten
Netzteilen vorbehalten waren. TinySwitch stellt daher den idealen Ersatz für diese alte
Technologie dar. Weitergehende Informationen sind unter www.powerint.com zu finden.