Dc/dc-wandler In Der Praxis Bei Vielen Geräteentwicklungen Wird

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DC/DC-Wandler in der Praxis Bei vielen Geräteentwicklungen wird der Stromversorgung nur geringe Beachtung geschenkt. Die reibungslose Funktion einer zugekauften Baugruppe wird vorausgesetzt, und daß überhaupt Probleme auftreten können, wird kaum in Erwägung gezogen. Mit Detailwissen braucht man sich zwar nicht zu befrachten, wenn nur eine fertige getaktete Stromversorgung verwendet werden soll, aber einige grundlegende Kenntnisse sind jedenfalls für das globale Verständnis hilfreich. Deshalb wollen wir Sie hier an dieser Stelle mit einigen wenigen, zum Teil verblüffend einfachen Grundsätzen vertraut machen, die Ihnen vielleicht eine Menge Ärger ersparen können. Diese Betrachtung orientiert sich zwar speziell an DC/DC-Wandlern, viele Punkte gelten aber auch ganz allgemein für alle getakteten Stromversorgungen. Wählt man eine getaktete Stromversorgung aus, geht man im Grunde immer nach dem gleichen AnforderungsSchema vor: •= •= •= •= •= •= •= Eingangsspannung (-Bereich)? Galvanische Trennung? Anzahl der Ausgangsspannungen? Minimale / maximale Leistung? Temperaturbereich? Platzbedarf? Elektromagnetische Verträglichkeit? Diese Parameter ergeben sich aus den Anforderungen an das betreffende Gerät. Einige davon werden aber erfahrungsgemäß gern vernachlässigt. Hier einige Denkanstöße: •= •= •= •= •= •= •= Oft wird ein Wandler mit unnötig großem Eingangsspannungsbereich ausgewählt. Meistens hat man dann zum höheren Preis noch einen schlechteren Wirkungsgrad! Die Angaben der Isolationsfestigkeit beziehen sich fast generell auf Isolationsprüfspannungen. Wenn DC/DC-Wandler unter Bedingungen betrieben werden sollen, wo z. B. hohe Potentialdifferenzen zwischen Ein- und Ausgang betriebsmäßig (=dauernd) auftreten, so genügt es keinesfalls, einen Wandler zu wählen, der mit dieser Spannung (nur kurzzeitig!) geprüft wurde! Wird z. B. eine große Anzahl von Ausgangsspannungen benötigt, stellt sich oft die Frage, ob mehrere DC/DC-Wandler parallelgeschaltet werden können. Das ist nicht immer problemlos. Einerseits neigen viele Anwender dazu, besonders bei ohnehin kleinen Leistungen unnötig großzügige Reserven einzuplanen. Das ist unter anderem wieder mit schlechteren Wirkungsgraden (im Teillastbereich!) verbunden. Damit sind wir schon beim nächsten Thema: Ausreichende Wärmeabfuhr wird sehr gerne auf die leichte Schulter genommen. Aber Leistungselektronik bleibt Leistungselektronik, auch wenn es nur zwei Watt sind! Besonders die kleinsten und sehr einfach aufgebauten Wandler laufen oft mit geringen Wirkungsgraden und verheizen entsprechende Verlustleistungen. Vor allem aber gibt es inzwischen moderne Schaltungen mit hoher Leistungsdichte, die auch mit sehr guten Wirkungsgraden trotzdem noch erhebliche Leistungen über relativ geringe Oberflächen abgeben müssen. Bei Überprüfung der Deratingkurven stellt sich schnell heraus, daß viele dieser Wandler ohne gute Kühlung nicht einmal bei Zimmertemperatur ihre volle Leistung abgeben dürfen! Entwickelt man ein Gerät, sollte man sich so früh wie möglich über den Leistungsbedarf klar werden, um entsprechend gut belüfteten Einbau auch durch ausreichendes Platzangebot (!) gewährleisten zu können. Auch in dieser Situation lässt man sich gerne durch verlockend kleine Bauformen zu leichtsinniger Anordnung verführen. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist eigentlich ein eigenes Kapitel wert, an dieser Stelle sei nur erwähnt, daß sie für jeden Wandlertyp erneut nachgewiesen werden muß, zum Beispiel auch für second sources. Die handelsüblichen DC/DC-Wandler kleinster bis mittlerer Leistungen sind längst weitgehend problemlos geworden, teils auch standardisiert und pinkompatibel. Strom liefern sie auch alle, aber es existieren Grundschaltungen mit unterschiedlichen Charakteristika, die gelegentlich beachtet werden müssen. Ohne auf Feinheiten einzugehen, die ein Anwender nicht unbedingt zu wissen braucht, hier ein Überblick über die gängigste Technik : 1. Welche Schaltungen gibt es? 1.1 Freischwingender Wandler mit Gegentaktendstufe Der klassische Royer-Converter. Eine Push-Pull-Gegentaktschaltung: Diese Geräte arbeiten nach einem sehr einfachen Prinzip. Durch eine Hälfte der Trafo-Primärwicklung fließt Strom, der dazugehörige Schalttransistor wird von einer Hilfswicklung versorgt. Geht der Kern des Transformators in Sättigung, kann die Hilfswicklung den Basisstrom nicht mehr aufrechterhalten: Der Transistor sperrt. Der weiterfließende Strom in der Primärwicklung verursacht nun eine Spannungsumkehr auch in den Hilfswicklungen: Der andere Schalttransistor wird angesteuert, leitet und lässt durch die andere Hälfte der Primärwicklung Strom fließen. Die Flussrichtung im Kern kehrt sich um, bis auch hier Sättigung eintritt und der zuerst beschriebene Schaltzustand wiederkehrt. Beide Halbwellen werden auf der Sekundärseite gleichgerichtet und gefiltert. Was sollte der Anwender dieser Wandler wissen? •= Diese Schaltung muss durch den Eingangsspannungsstoß beim Einschalten anschwingen, zu langsamer Anstieg führt dazu, daß der Wandler nicht startet! •= Ein Kondensator im Eingang bildet mit der Induktivität des Transformators den die Schaltfrequenz bestimmenden Schwingkreis. Das bedeutet, daß die Taktfrequenz in gewissen Grenzen instabil ist und von der Last am Ausgang des Wandlers abhängt, die den Schwingkreis bedämpft. Auch Veränderungen der Eingangsspannung spielen eine Rolle. •= Der Bereich der Eingangsspannung kann nicht groß sein, in der Regel ±10%. •= Die Schaltung ist in der Regel nicht dauerkurzschlussfest. •= DC/DC-Wandler mit dieser einfachsten Schaltungstopologie sind prinzipiell ungeregelt, „Gleichspannungstrafos“. Eingangsspannungsschwankungen gehen im Übersetzungsverhältnis des Trafos auf die Ausgangsspannung ein. Die Last beeinflusst die Ausgangsspannung. •= Verfügen solche Schaltungen über geregelte Ausgänge, sind diese linear nachgeregelt! Deshalb und wegen der hohen Eisenverluste (magnetische Sättigung) sind nur niedrige Wirkungsgrade möglich und damit ist die Anwendung auf geringe Leistungen begrenzt. Im übrigen profitieren diese Konverter aber von den Vorzügen der Linearregler, z. B. deren gutem dynamischen Verhalten (Lastwechselausregelung). •= Wegen der Längsregelung verfügen DC/DC-Wandler solcher Bauart oft über recht gutmütige EMVEigenschaften am Ausgang. Für allgemeine Anwendungen im kommerziellen Temperaturbereich sind diese einfachsten Gegentaktwandler also gut geeignet und preisgünstig. Sie verfügen generell über galvanische Trennung, sind auch mit mehreren Ausgangsspannungen realisierbar und bei vielen Anbietern in zahllosen Varianten erhältlich. Die Typen EC2A; EC3AE oder EC2C der Firma CINCON sind beispielsweise nach dieser Schaltung aufgebaut. 1.2. Eintaktwandler Prinzipiell unterscheidet man Flusswandler und Sperrwandler, was aber für diese spezielle Betrachtung von geringem Belang ist: In beiden Fällen ist in Serie zur Primärwicklung eines Trafos ein Schalttransistor angeordnet, der im Takt eines Oszillators Stromfluss zulässt. Die in der Sekundärseite des Flusswandlers induzierte Spannung wird gleichgerichtet und durch eine nachgeschaltete Speicherdrossel mit Freilaufdiode geleitet. Beim Sperrwandler ist diese Drossel vereinfacht in Form eines Luftspaltes im Trafo integriert, die eigentliche Übertragung der gespeicherten Leistung erfolgt hier aber während der Zeit, in der der Transistor sperrt. Die „Polung“ der Sekundärwicklung muss dazu umgekehrt sein wie auf der Primärseite, die Freilaufdiode entfällt. Die grundlegenden Eigenschaften dieser Topologien: •= Der Trafokern wird stets in der gleichen Richtung magnetisiert, dadurch praktisch nur zur Hälfte genutzt. Deshalb ist die Eintaktschaltung zwar für große Leistungen unwirtschaftlich, wegen des ansonsten geringen Schaltungsaufwandes aber weitestverbreitet. •= Alle diese Wandler sind geregelt und verfügen oft über einen sehr großen Eingangsspannungsbereich. Wird dieser genutzt, ist ein wichtiges Charakteristikum zu berücksichtigen: Getaktete Stromversorgungen haben (soweit sie geregelt sind!) grundsätzlich das Verhalten eines negativen Widerstandes: Bei konstanter Ausgangsleistung wird bei sinkender Eingangsspannung der Eingangsstrom ansteigen, um gemäß P = U x I die erforderliche Leistung bereitstellen zu können! Deshalb sind die eingangsseitigen Bauelemente, auch die externen, sowohl nach der möglichen Strombelastung als auch der entsprechenden Spannungsfestigkeit zu bemessen. •= Die Einschaltzeit des Trafos („duty cycle“) geht in der Regel nicht über 50% der Periodendauer. Weil nur während dieser Zeit Energie in den Trafo fließt, ist die Stromwelligkeit am Eingang des Eintaktwandlers hoch. Umfangreiche Filterung ist nötig, die bei höheren Anforderungen durch externe Maßnahmen am Eingang unterstützt werden sollte. Bevorzugt sind hierfür schaltfeste Elkos mit hoher Wechselstrombelastbarkeit zu wählen, die die internen Eingangsfilterelemente entlasten und der Lebensdauer des Wandlers zugute kommen. •= Die Taktfrequenz ist konstant. In Abhängigkeit von der Eingangsspannung und der am Ausgang abzugebenden Leistung bemisst sich die Pulsbreite, also die Zeit, während der der Schalttransistor leitet. Dadurch können sich bei wechselnder Last und Eingangsspannung unterschiedliche Verhältnisse ergeben, die im Hinblick auf die EMV gegebenenfalls zu berücksichtigen sind. Meist treten die ungünstigsten Fälle bei Vollast auf, wenn hohe Ströme fließen. •= Im Gegensatz zur Längsregelung treten bei Lastwechseln am Ausgang grundsätzlich kurzzeitige Ausgangsspannungseinbrüche oder –Überschwinger auf. Die Verbraucher sind gegebenenfalls auf diesbezügliche Verträglichkeit zu überprüfen und im Bedarfsfall durch zusätzliche Ausgangsfilterung zu schützen. Eintaktwandler verfügen über galvanische Trennung. Sie sind auch mit mehreren Ausgangsspannungen realisierbar, wobei die Pulsbreitenregelung allerdings nur auf einen Ausgang direkt wirken kann. Die Genauigkeit der anderen Ausgangsspannungen ist deshalb geringer und wird von der Belastung geprägt („cross regulation“). Als praktische Beispiele für PWM-Eintaktschaltungen mögen z. B. die EC4B; EC5B; EC3C(B); EC4C und die ganze Reihe ECxE(E) von CINCON dienen. 1.3. Eine Sonderform des Eintakt-Flusswandlers ist der RCC-Wandler: Diese Schaltung benötigt sehr wenige Bauelemente und ist deshalb die Basis zahlreicher EconomyTypen. •= Nicht die Taktfrequenz ist konstant, sondern die Pulsbreite. Der abgegebenen Ausgangsleistung entsprechend werden in variablen Abständen annähernd gleichlange Strompulse auf die Sekundärseite transformiert. Da die Pulsfolgefrequenz bei geringer Ausgangsbelastung recht lang werden kann, muß dem bei der Filterung Rechnung getragen werden. Andererseits arbeitet diese Schaltung mit vergleichsweise wenig steilen Schaltflanken, was für die EMV eine gewisse Gutmütigkeit bedeutet. Der Nachteil der langsamen Schaltflanken ist allerdings: •= Die erreichbaren Wirkungsgrade des Leistungsteiles sind etwas geringer. Deshalb ist diese Schaltung vorzugsweise für kleine Wandler einsetzbar. Weil eine Anzahl Bauelemente (und deren Stromverbrauch), wie z. B. der komplette Pulsbreitenmodulator, entfallen, wird aber diese Verringerung des Wirkungsgrades zum Teil wieder aufgewogen. Eine ganze Reihe der Wandler von CINCON arbeiten nach diesem Prinzip, unter anderem EC3A; EC3AB; EC4A und ...4AB; außerdem ECEC3B; ...3BB; EC4BE und auch EC4CE. 1.4. Die moderne Variante des Eintaktwandlers wird auch als Resonanzwandler aufgebaut. •= Die Trafoinduktivität bildet mit einer Kapazität einen Schwingkreis. Wird der Schalttransistor leitend, so ergibt sich eine sinusförmige Halbwelle entsprechend der Resonanzfrequenz. Das bedeutet, daß Strom oder Spannung von selbst zu einem definierten Zeitpunkt auf Null zurückkehren. In diesem Moment kann der Schalttransistor (bei Strom- oder Spannungsnulldurchgang) leistungslos schalten. Mit dieser Schaltungstopologie sind also ausgezeichnete Wirkungsgrade erzielbar, sie eignet sich wegen des etwas höheren Aufwandes für größere Leistungen und arbeitet bei hohen Frequenzen, zum Teil bereits im MHz- Bereich. Der deshalb erwartete geringe Filteraufwand für niedrige Frequenzen führt aber zur Enttäuschung: Im Gegensatz zum „normalen“ Wandler kann die Pulsbreite nicht klein werden, sondern muß einer Halbwelle entsprechen. Bei Teillast oder Leerlauf ändert sich deswegen die Pulsfolgefrequenz und kann dabei recht gering werden. Resonanzwandler können äußerst klein gebaut werden und verfügen deshalb über enorme Leistungsdichten, was eine ebenfalls leistungsfähige Kühlung unbedingt notwendig macht! 1.5. Schaltregler Für die einfachste Form der getakteten Stromversorgung gibt es vor allem zwei klassische Grundschaltungen. Unterschiedliche Anordnung der drei Haupt-Bauelemente Schalter (Transistor) Speicherdrossel Ladeelko ergeben eine Schaltung, bei der die Ausgangsspannung entweder über („Boost-Converter“) oder unterhalb der Eingangsspannung liegen muß („Buck-Converter“): EC5A und die EC6B – Serien von CINCON sind als solche konzipiert. Die sehr einfachen Schaltungen arbeiten mit guten Wirkungsgraden und sind klein aufzubauen. Dauerkurzschlussfest sind die Grundschaltungen in der Regel nicht, durch zusätzliche interne Schaltungen kann aber Kurzschlussfestigkeit erreicht werden. 2. Betriebsverhalten 2.1. Eingangsspannung Was passiert, wenn die spezifizierten Grenzen der Eingangsspannung über-/unterschritten werden? •= Der erste Fall ist klar, irgendwann sind Bauteile überlastet und Schäden treten auf. Interessant zu wissen ist noch, daß je nach Schaltung innerhalb des Gerätes primärseitig Spitzenspannungen bis zur doppelten Eingangsspannung auftreten können. •= Wird die minimale Eingangsspannung unterschritten, kann es passieren, daß die Leistung für die Ansteuerung des oder der Schalttransistoren nicht mehr ausreicht. Dann gehen die Leistungstransistoren vom Schalt- in den Linearbetrieb! In diesem nicht vorgesehenen Betriebszustand nehmen Sie aber unter Umständen Leistung auf, für die sie nicht dimensioniert sind, und die Stromversorgung kann den Unterspannungstod sterben. Um dies zu vermeiden, sind komfortablere DC/DC-Converter und Schaltnetzteile mit einer Unterspannungsabschaltung ausgerüstet, die bei Unterschreitung der Eingangsspannung zur Abschaltung führt und bei Spannungswiederkehr in den spezifizierten Bereich eine Wiedereinschaltung verursacht. Verschiedene Low-Cost-Produkte verfügen aber nicht über solche Features. Besteht die Möglichkeit, daß im Betrieb eines Gerätes Unterspannungen auftreten, z. B. bei Batterieentladung, so sollte der einzusetzende DC/DC-Wandler diesbezüglich überprüft werden. Dazu genügt es, den Wandler mit geringer Belastung an einem Labornetzteil zu betreiben. Reduziert man die Eingangsspannung deutlich unter den spezifizierten Minimalwert, so muß der Wandler, falls er über Undervoltage Lockout verfügt, den Betrieb abrupt einstellen. Erhöht man die Spannung daraufhin wieder langsam, so wird er nach Überwinden einer Hysterese von wenigen Volt wieder anschwingen. Dieses Verhalten ist von der Belastung des Wandlers unabhängig. Läuft der Konverter dagegen bei diesem Test noch bis weit unter der Minimal-Eingangsspannung weiter, was durch Verändern der Last deutlich beeinflusst werden kann, und verhält er sich überhaupt eher undefiniert, so hat er keine Unterspannungsabschaltung und ist für die beschriebenen Anwendungen nur bedingt geeignet. 2.2 Last 2.2.1. Leerlauf Nicht alle getakteten Netzteile und Wandler sind leerlauffest. Sind Leerlauf oder minimale Belastungen im Betrieb des Gerätes möglich, so ist die Versorgung anhand des Datenblattes auf Eignung für diese Anwendung zu prüfen, gegebenenfalls sollte eine ausreichende Grundlast vorgesehen werden. Im Falle sehr geringer Ausgangsbelastung zeigen manche getaktete Stromversorgungen nämlich ein Verhalten, das eventuell berücksichtigt werden muß: •= Im Rahmen der physikalischen Grenzen (Totzeit) kann die Einschaltzeit eines Transistors ein gewisses, wenn auch noch so geringes Minimum nicht unterschreiten. Während dieser Zeit wird die Ausgangsleistung übertragen. Im Leerlauf wird aber keine benötigt, von vernachlässigbaren Verlusten im Ausgangskreis einmal abgesehen. Deshalb steuert die Regelung den Schalter zeitweise überhaupt nicht mehr an, die Schaltung geht in den sogenannten „lückenden Betrieb“. Die Pulsfolgefrequenz wird sehr viel niedriger als im normalen Betrieb und noch dazu unregelmäßig. Sogar kurzzeitige Einbrüche der Ausgangsspannung kommen bei manchen Stromversorgungen in solchen Fällen vor. Das alles kann auch die elektromagnetische Verträglichkeit beeinträchtigen und muß gegebenenfalls untersucht werden. •= Wandlern mit mehreren Ausgangsspannungen benötigen oft externe Grundlast(en). Pulsbreitenregelung z.B. ist nur über die Regelung eines Ausganges möglich, die anderen werden sozusagen nur „mitgezogen“ und sind im Rahmen der Cross Regulation entsprechend ungenauer. Betreibt man so einen DC/DC-Wandler mit dem (PWM-geregelten ) Hauptausgang im Leerlauf, so wird die Pulsweite auf das absolute Minimum reduziert, bis praktisch überhaupt keine Leistungsübertragung mehr stattfindet, und zwar auch auf die sekundären Ausgänge nicht: Das bedeutet, daß die Zweit- und weiteren Ausgänge zwar belastet, aber nicht versorgt sind und deren Spannungen zusammenbrechen. Wandler mit Dual – Ausgang werden meist über die Gesamt-Ausgangsspannung geregelt, bei Lastvariation verschiebt sich dadurch der Nullpunkt. Da dieser in der Regel auf GND gelegt ist, stellt sich so eine geringfügige Veränderung beider Ausgangsspannungen dar, während die Summe der Beträge der positiven und negativen Ausgangsspannung annähernd gleich bleibt! 2.2.2. Schieflast Manchmal besteht die Notwendigkeit, zeitweise oder ständig erhöhte oder sogar die gesamte Nennleistung des Wandlers aus einem von mehreren Ausgängen ziehen zu können. Das ist bei Standardprodukten in der Regel nicht vorgesehen und bedarf der Überprüfung anhand der technischen Daten. Oft ist eine entsprechend stärkere Auslegung der ausgangsseitigen Komponenten nötig und vom Hersteller meist auch mit vertretbarem Aufwand realisierbar. 2.2.3. Kurzschluss Pulsweitengeregelte DC/DC-Wandler sind dauerkurzschlussfest. Dies lässt sich im Grunde auf drei Arten realisieren: •= Das Gerät geht in den Strombegrenzungs-Modus. Eine typische Anwendung dieser Betriebsart ist die eines Ladegerätes mit I/U-Kennlinie. Wird die Ausgangsnennlast überschritten, fließt der definierte Maximalstrom und es reduziert sich die Ausgangsspannung, bei Ausgangskurzschluss notfalls bis gegen Null. Wesentlich ist hierbei die Erkenntnis, daß sich die abgegebene Ausgangsleistung ebenfalls praktisch gegen Null reduziert. Auch bei maximalem Strom wird ohne Spannungsfall keine Leistung abgegeben, P = U x I . Auffallend ist deshalb, daß bei getakteten Stromversorgungen und Ausgangskurzschluss die Eingangsstromaufnahme stark absinkt. Trotzdem ist die Bauteilebelastung hoch, weil der Kurzschlussstrom im Dauerbetrieb bewältigt werden muß. •= Um diese Belastung zu vermindern, wurde die „Foldback“-Kennlinie eingeführt. Bei Kurzschluss wird die Ausgangsspannung reduziert, bis nur noch ein Teil des Maximalstromes fließt. Das hat den Nachteil, daß sich bei Verbrauchern mit hohen Anlaufströmen die Stromversorgung „aufhängen“ kann und überhaupt kein Betrieb zustande kommt. •= Die verbreitetste, aber auch einfachste Art des Kurzschlussschutzes ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die Abschaltung. Hierbei ist zu unterscheiden: Die Ausgangsspannung kehrt erst nach Aus- und Wiedereinschaltung der Stromversorgung zurück. Oder: Die automatische Wiedereinschaltung erfolgt periodisch und kurzzeitig, bis nach Beseitigung des Kurzschlusses wieder normaler Betrieb aufgenommen werden kann. Der sogenannte Hiccup(=“Schluckauf“!)-Modus. Für beide Abschaltungen gilt prinzipiell die gleiche Aussage wie für die eingezogene Kennlinie (Foldback), trotzdem wird aus Preisgründen meistens die letztere Lösung angewendet. Ob eine solche Stromversorgung für die jeweiligen Verbraucher überhaupt geeignet ist, muß bei der Betrachtung der Charakteristik letzterer unbedingt berücksichtigt werden! 2.3 Das dynamische Verhalten Leistungsübertragung in einer getakteten Stromversorgung erfolgt sozusagen immer nur päckchenweise, das heißt innerhalb des Zeitraumes eines mehr oder weniger langen Pulses. Deshalb und wegen verschiedener Eigenschaften der Regelung treten bei gewissen Last- oder auch Eingangsspannungsänderungen Einflüsse auf den oder die Ausgänge in Erscheinung. •= Sprungartige Veränderungen der Belastung führen zu kurzzeitigen Einbrüchen (bei Lastzuschaltung) beziehungsweise Überhöhungen ( bei Lastreduzierung). Die Änderung der Pulsbreite erfolgt nicht schnell genug, um den neuen Ausgangsbedingungen zu folgen. Besonders ausgeprägte Überschwinger / Einbrüche der Ausgangsspannung(-en) erfolgen meist im untersten Leistungsbereich, nahe dem Leerlauf. Hier wird der Ausgangs-Speicherelko voll gefordert und muß im Übergangszeitraum die gesamte Energie aufnehmen oder abgeben, was sich natürlich in Spannungsschwankungen ausdrückt. •= Änderungen der Eingangsspannung müssen ebenfalls ausgeregelt werden: Die statische Abweichung ist zwar in der Praxis unkritischer, aber für Eingangsspannungssprünge gilt im Prinzip das oben gesagte. 3. Absicherung des Einganges Unter Berücksichtigung des maximalen Eingangsstromes wählt man eine nicht zu schnelle Schmelzsicherung mit etwa 1,5 Iin. Den Wandler selbst kann man kaum damit schützen, es geht eigentlich nur um die Vermeidung von Folgeschäden / -Störungen, wenn letzterer ausfällt und als Folge Eingangskurzschluss hat. 4. Zusammenschalten mehrerer DC/DC-Wandler Aus verschiedensten Gründen kann es wünschenswert sein, DC/DC-Wandler parallel- oder in Serie zu schalten. Solche größerer Leistung sind oft komfortabel dafür vorbereitet, bei einfachen und preisgünstigen Wandlern kleiner Leistung muß man selber für Betriebssicherheit und Funktion Sorge tragen. •= Die eingangsseitige Parallelschaltung kann nötig werden, wenn Baugruppen jeweils ihre eigene Spannungsaufbereitung haben sollen oder wenn viele unterschiedliche Spannungen oder galvanisch voneinander getrennte Spannungen nötig sind. Da bei einfachen / kleinen Wandlern keine Möglichkeit der Synchronisation besteht, werden diese mit ihrer jeweiligen Taktfrequenz und der daraus resultierenden Eingangsstromwelligkeit einander unter Umständen beeinflussen. Das kann Probleme mit der EMV bedeuten und zu Schwingneigung der Wandler bis hin zu Ausfällen führen. Zur Vermeidung ist es möglich, die Wandler einzeln voneinander zu entkoppeln, d. h. mindestens in jede Plus-Leitung eine geeignete Drossel zu schalten und möglichst eine großzügig dimensionierte Kapazität an die Eingangsklemmen des jeweiligen Wandlers zu legen. Da die Wandler auch durch diese Maßnahmen weiterhin nicht synchron laufen, kann dies für die EMV unter anderem niederfrequente Schwebungen bedeuten, die exemplar- und vom Betriebszustand abhängig sind und vielleicht nicht einfach in den Griff zu bekommen. •= Serienschaltung von Ausgängen kann sich anbieten, um beispielsweise die Spannung zu verdoppeln. Ohne zusätzliche Beschaltung mit einer Diode jeweils in Sperrrichtung parallel zu jedem Ausgang sollte man es trotzdem nicht tun: Sollten die Wandler mit unterschiedlichen Hochlaufzeiten starten, so speist der zuerst in Betrieb gegangene Wandler in den Ausgang des anderen Gerätes! Durch die umgekehrte Polarität können in diesem Fall dort Bauteile beschädigt werden. •= Die Parallelschaltung von Ausgängen ist möglichst zu vermeiden. Die damit verbundenen Probleme degradieren diese Anwendung zum Provisorium, und eine Leistungssteigerung durch Parallelschaltung dürfte in fast allen Fällen die unwirtschaftlichere Lösung sein. Notwendig zur Entkopplung ist eine Diode in Serie zu jedem Ausgang. Eventuell reicht stattdessen ein Widerstand im Milliohmbereich. Der Spannungsfall (in Durchlassrichtung) reduziert die noch verfügbare Ausgangsspannung entsprechend. Da es bei unabhängig frei laufenden Wandlern nie möglich sein wird, für alle in Frage kommenden Betriebszustände, Temperaturen etc. eine akzeptable Stromaufteilung zu bekommen, ist ausgangsseitige Parallelschaltung zur Redundanzerhöhung ebenfalls fragwürdig. Sind die Leistungen so dimensioniert, daß ein Wandler alleine die Versorgung der Verbraucher übernehmen kann, so findet zwar kein Halblast-Parallelbetrieb statt, aber bei Ausfall ist jedenfalls die Versorgung weiterhin gesichert. Abschließende Betrachtung Auf was man generell achtet: •= A & O für eine lange Lebensdauer aller Leistungsbauelemente ist gute Belüftung / Kühlung, um die Gehäusetemperatur niedrig zu halten. •= Sind mehrere Wandler auf einer Baugruppe anzuordnen, soll man nicht nur aus thermischen Gründen Sorge tragen, daß die einzelnen Bausteine nicht zu dicht beieinander stehen: Oft entstehen dadurch gegenseitige magnetische Beeinflussungen bis hin zu Ausfällen, deren Ursache dann sehr schwer nachzuvollziehen ist. •= Auch wenn keine externen Bauelemente vorgeschrieben sind, tut man jedem DC/DC-Wandler etwas gutes, indem man ihm einen kräftigen zusätzlichen Eingangselko, schaltfest und mit geringem ESR, spendiert. Der sollte so nahe wie möglich am Wandler sitzen, mit kürzesten Verbindungen und großzügigem Anschlussquerschnitt. Das entlastet den internen Speicherelko und kommt der Lebensdauer des Wandlers zugute: Besonders bei DC/DC-Wandlern kleiner Bauformen sind nämlich die internen Filterelemente aus Platz- und Verfügbarkeitsgründen gelegentlich auf ein absolutes Minimum reduziert und darum hohen Wechselstrombelastungen ausgesetzt. Parallel dazu ordnet man möglichst einen Keramik(-Vielschicht-)Kondensator an, der höherfrequente Störungen besser ableitet als ein Elektrolytkondensator, dessen ErsatzSerieninduktivität für diesen Frequenzbereich schon zu groß ist. Für die Ausgänge empfiehlt sich eine ähnliche Beschaltung, besonders wenn es sich um sensible Verbraucher handelt, die saubere Gleichspannung benötigen. •= Der Eingangsstrom einer getakteten Stromversorgung ist bei niedrigster Eingangsspannung am höchsten. Unter diesem Gesichtspunkt sind die Zuleitungsquerschnitte zu wählen und eventuell vorgeschaltete Bauelemente zu bemessen. Es kann sonst vorkommen, daß durch zu hohe Leitungswiderstände an den Eingangsklemmen nicht mehr genug von der ursprünglichen Eingangsspannung zur Verfügung steht! Außerdem erhöht sich in diesem Fall die Impedanz der Versorgung, was sogar zu Betriebsstörungen des Wandlers führen kann. •= Und vor allem muß überhaupt eine angemessene Versorgungsleistung zu Verfügung stehen, unter sorgfältiger Berücksichtigung der hohen Einschaltstromspitzen von DC/DC-Wandlern. Zu guter Letzt: Nichts ist vollkommen, manches ist nicht einmal vollständig! Auch dieser Beitrag nicht. Sollten sie deshalb Fragen haben, die hier nicht behandelt sind, so zögern Sie bitte nicht, uns jederzeit Ihre Probleme zu schildern. Oft ist die Abhilfe so einfach – man müsste nur miteinander reden! Nur so können wir voneinander lernen und gemeinsam Fortschritte machen. Seien es Qualität und Auswahl der Produkte oder die Betreuung unserer Kunden. Heinz Dähnert Produkt Marketing FORTEC Elektronik AG Lechwiesenstraße 9 86899 Landsberg Tel: 08191/91172-0 Fax: 08191/21770 E-Mail: [email protected]