Verwendung moderner Schalt-ICs zur Implementierung effizienter, funktionsreicher AC/DC-Netzteile mit geringem Stromverbrauch

AC/DC-Spannungsversorgungen mit einer Leistung von etwa 10 W oder weniger werden häufig in Dimmern, Schaltern, Sensoren, Haushaltsgeräten, dem Internet der Dinge (IoT) und industriellen Steuerungen eingesetzt. Ihre Einschaltdauer ist relativ gering, da sich ihre Last über lange Zeiträume im Standby-Modus befindet, doch muss die Stromversorgung schnell „aufwachen“, wenn das Gerät aktiviert wird.

Der Entwurf solcher Stromversorgungen ist konzeptionell einfach: Man beginnt mit ein paar Dioden für die Netzgleichrichtung, fügt einen Controller-IC hinzu, setzt Filterkondensatoren an den Ausgang, fügt einen Transformator ein, wenn eine Isolierung erforderlich ist, und die Aufgabe ist erledigt. Trotz der scheinbaren Einfachheit sieht die Realität der Entwicklung dieser Spannungsversorgungen jedoch erheblich anders aus.

Sie müssen die Grundfunktion der Bereitstellung einer stabilen Gleichstrom-Ausgangsschiene erfüllen und mehrere strenge behördliche Auflagen für Benutzersicherheit, Effizienz unter Last und Standby-Effizienz einhalten. Darüber hinaus müssen Fragen des physischen Layouts, der unterstützenden Komponenten, der Zuverlässigkeit, der Leistungsbewertung, der Zertifizierung und der Verpackung beantwortet werden, um den Platzbedarf und die Kosten zu minimieren und gleichzeitig kurze Markteinführungszyklen einzuhalten.

Dieser Artikel stellt eine Familie von hochintegrierten Offline-Schaltcontroller-ICs von Power Integrations vor und zeigt, wie sie zur Bewältigung dieser Herausforderungen eingesetzt werden kann.

Integrierter MOSFET und Controller-IC

Die LinkSwitch-TNZ-Familie mit acht verschiedenen Offline-Schaltregler-ICs von Power Integrations kombiniert einen 725V-MOSFET-Leistungsschalter mit einem Stromversorgungs-Controller in einem einzigen Bauteil in einem SO-8C-Gehäuse. Jeder monolithische IC bietet eine ausgezeichnete Überspannungsfestigkeit, einen Oszillator, eine geschaltete Hochspannungsstromquelle für Selbstbiasing, Frequenz-Jittering, eine schnelle (zyklusweise) Strombegrenzung, eine hysteretische thermische Abschaltung sowie eine Ausgangs- und Eingangsschutzschaltung gegen Überspannungen.

Die Bausteine können den Kern einer nicht isolierten Anordnung bilden, wie z. B. das Abwärtswandlerdesign (Abbildung 1) unter Verwendung des LNK3306D-TL mit einem Ausgangsstrom von 225 mA oder 360 mA, je nach gewähltem Leitungsmodus. Sie können auch als nicht isolierte Buck-Boost-Stromversorgungen konfiguriert werden, die einen Ausgangsstrom von bis zu 575 mA liefern.

Abbildung 1: Dieser typische nicht isolierte Abwärtswandlerentwurf mit einem Mitglied der LinkSwitch-Familie ist nur eine von vielen möglichen Topologien, die mit diesen Komponenten implementiert werden können. (Bildquelle: Power Integrations)

Während Lasten, die doppelt isoliert oder auf andere Weise vor Fehlern in der Wechselstromleitung geschützt sind, keine galvanische Trennung benötigen, ist sie bei einigen Geräten erforderlich. Die Verwendung der LinkSwitch-TNZ-Komponenten in einem isolierten Flyback-Design mit Universaleingang ist in einer solchen Situation die bessere Wahl. Die Komponenten bieten in dieser Topologie eine Ausgangsleistung von bis zu 12 W.

Die ICs der LinkSwitch-TNZ-Familie bieten je nach Topologie unterschiedliche Ausgangsströme und Leistungen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die LinkSwitch-TNZ-Familie unterstützt mehrere Konfigurationen, Topologien und Betriebsarten. Jede Anordnung hat eine andere maximale Ausgangsstrom- oder Leistungsgrenze. (Bildquelle: Power Integrations)

Vom Konzept zur Implementierung

Die hohe Integration und Flexibilität der LinkSwitch-TNZ-Familie vereinfacht die Aufgabe der Entwicklung. Zu den zahlreichen Herausforderungen bei der Entwicklung eines zertifizierten, versandfähigen Stromversorgungsdesigns gehören:

1. Strenge gesetzliche Anforderungen in Bezug auf Effizienz und Sicherheit. Erschwerend kommt hinzu, dass die Geräte im Standby-Modus Strom liefern und gleichzeitig die strengen Vorschriften für die Standby-Energieeffizienz erfüllen müssen. Die LinkSwitch-TNZ-ICs bieten eine erstklassige Effizienz bei geringer Last, so dass mehr Systemfunktionen mit Strom versorgt werden können und gleichzeitig die Standby-Vorschriften erfüllt werden:
   • Die Norm der Europäischen Kommission (EG) für Haushaltsgeräte (1275), die vorschreibt, dass Geräte im Standby- oder Aus-Zustand nicht mehr als 0,5 W verbrauchen dürfen
   • Energy Star Version 1.1 für Smart-Home-Energiemanagementsysteme (SHEMS), die den Standby-Verbrauch von intelligenten Beleuchtungssteuerungsgeräten auf 0,5 W begrenzt
   • Die chinesische Norm GB24849, die die Leistungsaufnahme von Mikrowellenherden im Aus-Zustand auf 0,5 W begrenzt

Die LinkSwitch-TNZ-ICs erfüllen diese Anforderungen und reduzieren gleichzeitig die Anzahl der Komponenten um 40 % oder mehr im Vergleich zu diskreten Designs. Diese Schaltnetzteil-ICs ermöglichen eine Regelung von ±3% über Leitung und Last, haben eine Leistungsaufnahme von weniger als 30 mW bei Nulllast mit externer Vorspannung und einen IC-Standby-Strom von weniger als 100 µA.

2. Sichere Unterstützung von Zweidraht-Wechselstromanschlüssen ohne Nullleiter und Dreidrahtanschlüssen. Viele Verbraucher wie Dimmer, Schalter und Sensoren verfügen nicht über diese dritte Leitung, so dass die Gefahr eines übermäßigen und potenziell gefährlichen Leckstroms besteht. Die Norm definiert den maximalen Leckstrom unter verschiedenen Umständen, und der LinkSwitch-TNZ-Leckstrom unter 150 µA in Zweidraht-Designs ohne Nullleiter liegt unter diesem Maximum.
3. Die Grenzwerte für elektromagnetische Störungen (EMI) werden nicht überschritten. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet der LinkSwitch-TNZ-Oszillator ein Spreizspektrumverfahren, das einen geringen Frequenzjitter von 4 Kilohertz (kHz) um die nominale 66-kHz-Schaltfrequenz einführt (Abbildung 2). Die Modulationsrate des Frequenzjitters ist auf 1 kHz eingestellt, um die EMI-Reduzierung sowohl für durchschnittliche als auch für Quasi-Spitzenwerte zu optimieren.

Abbildung 2: Um die EMI-Emissionen unter dem vorgeschriebenen Grenzwert zu halten, verwendet der LinkSwitch-TNZ-Oszillator ein Spreizspektrumverfahren mit einer Spreizung von 4 kHz um die Nennschaltfrequenz von 66 kHz. (Bildquelle: Power Integrations)

4. Erkennung von Nulldurchgängen in der Wechselstromleitung mit minimalen zusätzlichen Komponenten und minimalem Stromverbrauch. Diese Erkennung wird bei Lichtschaltern, Dimmern, Sensoren und Steckern benötigt, die die Wechselstromleitung über ein Relais oder einen Triac periodisch ein- und ausschalten.

Das Nulldurchgangssignal wird von intelligenten Produkten und Geräten für die Haus- und Gebäudeautomation (HBA) zur Steuerung von Schaltvorgängen verwendet, um die Schaltbelastung und den Einschaltstrom zu minimieren.

In ähnlicher Weise verwenden Geräte oft einen diskreten Nulldurchgangserkennungsschaltkreis, um das Timing von Motor und Mikrocontrollereinheit (MCU) zu steuern. Diese Anwendungen erfordern auch eine zusätzliche Stromversorgung für drahtlose Verbindungen, Gate-Treiber, Sensoren und Anzeigen.

Um dies zu erreichen, wird in der Regel eine diskrete Schaltung implementiert, die den Nulldurchgang der AC-Leitung erkennt, um den Einschaltvorgang des primären Leistungsgeräts zu steuern und gleichzeitig die Schaltverluste und den Einschaltstrom zu reduzieren. Dieser Ansatz erfordert viele Komponenten und ist sehr verlustbehaftet und verbraucht manchmal fast die Hälfte des Standby-Strombudgets.

Stattdessen liefern die LinkSwitch-TNZ-ICs ein genaues Signal, das anzeigt, dass die sinusförmige Wechselstromleitung auf Null Volt ist. Die Erkennung des Nulldurchgangspunkts durch LinkSwitch-TNZ verbraucht weniger als 5 mW, wodurch Systeme die Standby-Leistungsverluste im Vergleich zu alternativen Ansätzen reduzieren können, die zehn oder mehr diskrete Komponenten benötigen und 50 bis 100 mW Dauerleistung verbrauchen.

Dann gibt es noch den X-Kondensator

EMI-Netzfilter umfassen Kondensatoren der Klassen X und Y, um die Erzeugung von EMI/RFI zu minimieren. Sie sind direkt mit dem Wechselstromeingang an der AC-Leitung und dem AC-Neutralleiter verbunden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Für die EMI-Filterung sind Filterkondensatoren der Klassen X und Y an der Wechselstromleitung erforderlich, aber der Kondensator der Klasse X muss nach der Netztrennung verwaltet werden, um die Sicherheit des Benutzers zu gewährleisten. (Bildquelle: www.topdiode.com)

Sicherheitsvorschriften verlangen, dass der X-Kondensator in EMV-Filtern entladen wird, wenn die Wechselstromleitung abgeschaltet wird, um sicherzustellen, dass die gespeicherte Spannung und Energie nicht über einen längeren Zeitraum nach der Abschaltung auf dem Netzkabel verbleibt. Die maximal zulässige Zeit für die Entladung wird durch branchenübliche Standards wie IEC60950 und IEC60065 geregelt.

Um die erforderliche Entladung zu gewährleisten, werden traditionell Ableitwiderstände parallel zum X-Kondensator geschaltet. Dieser Ansatz ist jedoch mit einem Leistungsverlust verbunden. Eine bessere Lösung ist die Einbeziehung einer X-Kondensatorentladefunktion mit einer vom Benutzer einstellbaren Zeitkonstante. ICs wie der LNK3312D-TL verfolgen diesen Ansatz. Dies führt zu einem geringeren Platzbedarf auf der Leiterplatte, einer niedrigeren Stückliste und einer höheren Zuverlässigkeit.

Stromversorgungen und Umrichter benötigen mehrere Schutzfunktionen. Alle Geräte der IC-Familie LinkSwitch-TNZ enthalten:

• Sanftanlauf zur Begrenzung der Belastung der Systemkomponenten beim Start
• Automatischer Wiederanlauf bei Kurzschluss- und Leerlauffehlern
• Ausgangsüberspannungsschutz
• Überspannungsschutz am Netzeingang
• Hysteretischer Übertemperaturschutz

Vom IC zum vollständigen Design

Ein IC allein, egal wie gut oder vollgepackt mit Funktionen, kann kein vollständiger, sofort einsatzbereiter AC/DC-Wandler sein, da viele Komponenten nicht in diese Bauteile integriert werden können oder sollten. Dazu gehören große Filterkondensatoren, Bypass-Kondensatoren, Induktivitäten, Transformatoren und Schutzkomponenten. Der Bedarf an externen Komponenten zeigt sich in der nicht isolierten Konstantspannungs-Stromversorgung mit Universaleingang, 6 V, 80 mA und Nulldurchgangsdetektor auf der Basis eines LNK3302D-TL-Bausteins (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind die externen Komponenten, die für eine vollständige und sichere, nicht isolierte Stromversorgung für 6 V Konstantspannung und 80 mA mit Universaleingang und Nulldurchgangsdetektor auf der Grundlage des ICs LNK3302D-TL benötigt werden. (Bildquelle: Power Integrations)

Außerdem gibt es sicherheitsrelevante Mindestmaße für Merkmale wie Kriech- und Luftstrecken. Das Problem ist dann die Entwicklung eines vollständigen Produkts. Die IC-Familie LinkSwitch-TNZ erleichtert diese Aufgabe. Durch die Verwendung einer Schaltfrequenz von 66 kHz sind die erforderlichen induktiven Bauelemente Standardprodukte, die von mehreren Anbietern angeboten werden. Darüber hinaus bietet Power Integrations Referenzdesigns an.

Für diejenigen, die eine isolierte Stromversorgung benötigen, ist das Referenzdesign RDK-877 (Abbildung 5) ein isoliertes 6W-Flyback-Netzteil mit Nulldurchgangserkennung auf der Basis des LNK3306D-TL.

Abbildung 5: Das 6W-Referenzdesign RDK-877 bietet Isolierung in einer Flyback-Topologie und basiert auf dem LNK3306D-TL. (Bildquelle: Power Integrations)

Das Netzteil hat einen Eingangsbereich von 90 V_AC bis 305 V_AC, einen Ausgang von 12 V bei 500 mA und eine Leistungsaufnahme von weniger als 30 mW im Leerlauf über den gesamten AC-Netzbereich. Im Standby-Modus stehen mehr als 350 mW Leistung zur Verfügung, während der Wirkungsgrad im aktiven Modus die Anforderungen von DOE6 und EC CoC (v5) mit einem Wirkungsgrad von mehr als 80 % bei Volllast und Nennlast erfüllt. Das Design erfüllt auch die Anforderungen der EN550022 und CISPR-22 Klasse B für leitungsgebundene EMI.

Fazit

Die Entwicklung und Implementierung einer AC/DC-Versorgung mit geringem Stromverbrauch mag trivial erscheinen. Die Erfüllung von Leistungs- und Effizienzzielen, Sicherheits- und Regulierungsvorgaben sowie Kosten-, Platz- und Markteinführungsanforderungen stellen jedoch eine große Herausforderung dar. Schalt-ICs wie die der LinkSwitch-TNZ-Familie von Power Integrations, die Controller und MOSFETs kombinieren, erleichtern diese Aufgabe erheblich. Diese ICs unterstützen verschiedene Leistungsstufen und können mit verschiedenen Versorgungstopologien verwendet werden, wobei sie über wichtige Funktionen wie Nulldurchgangserkennung und X-Kondensatorentladung verfügen.