Richtlinien für die Parallelschaltung von DC/DC-Wandlern

Einführung

Bei der Auslegung eines Stromversorgungssystems werden in der Regel verschiedene Teilfunktionen in Bezug auf die Ausgangsleistung, die Rauschcharakteristik und die Stabilität, die die Last beim Anfahren und im eingeschwungenen Zustand erfordert, festgelegt. Die Gewährleistung der Leistungsstabilität ist von entscheidender Bedeutung, und es müssen klare Bestimmungen und Anforderungen zur Bewältigung von Leistungstransienten, Schwankungen der Eingangsleistung und der Fähigkeit des Systems, sich entsprechend anzupassen oder zu reagieren, vorhanden sein. Weitere Faktoren wie Größe, Gewicht, Kosten und Zuverlässigkeit spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Bei der Entwicklung eines Konzepts, das diese Spezifikationen erfüllt, wird häufig auf bestehende Produkte im Unternehmen oder in der Branche zurückgegriffen, um die erforderlichen Funktionen effizient zu implementieren. Der Vorstoß zur Wiederverwendung von Produkten wird weitgehend von den Zielen des Managements angetrieben, die Kosten zu senken, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und das Risiko zu minimieren. In diesem Prozess können Situationen auftreten, in denen die vorhandenen DC/DC-Wandler die erforderliche Ausgangsleistung nicht erreichen, was zu der Frage führt: Können mehrere DC/DC-Wandler parallel geschaltet werden, um die gewünschten Leistungswerte zu erreichen?

Dieser Blog befasst sich mit den Überlegungen und Einschränkungen bei der Parallelschaltung von DC/DC-Wandlern.

Überlegungen

Es kann verlockend sein, zwei oder mehr DC/DC-Wandler parallel zu schalten, um die doppelte oder dreifache Leistung zu erreichen. Wie wir noch erörtern werden, ist dieser Ansatz jedoch nicht einfach und bringt einige Herausforderungen mit sich. Es gibt potenzielle Probleme wie Systeminstabilität, höhere Restwelligkeit und ineffiziente Nutzung des Platzes auf der Leiterplatte, die die Vorteile der Parallelschaltung mehrerer Wandler zunichte machen können.

Die einfachste Lösung besteht darin, zu prüfen, ob die Last aufgeteilt werden kann. Besteht die Last aus mehreren Geräten, ist eine Parallelschaltung der Wandlerausgänge möglicherweise nicht erforderlich. Stattdessen können Sie jeden Konverter für die Versorgung einer bestimmten Teilmenge der Last einsetzen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Stromversorgung mehrerer Verbraucher über mehrere Wandler. (Bildquelle: Ganmar Technologies)

Vergewissern Sie sich, dass Ihre Lastrückführungen einer üblichen „Kelvin“-Ein-Punkt-Stern-Konfiguration entsprechen. Dadurch wird das Risiko von Erdschleifen minimiert, aber es ist wichtig, dass Sie sich für spezifische Empfehlungen an Ihr Team für die Systemerdung wenden.

Wenn Ihre Lasten nicht aufgeteilt werden können, müssen komplexere Parallelisierungsstrategien angewendet werden. Bei den meisten Wandlern wird das Rückkopplungssignal direkt von dem an die Last angeschlossenen Ausgang abgetastet. Dieser Rückkopplungsknoten kann die Schleifenleistung erheblich beeinträchtigen und zu Instabilität führen. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, die Funktionsweise der internen Rückkopplungsschleife zu verstehen und zu wissen, wie man sie richtig integriert. Es sind zusätzliche Schaltungen erforderlich, um eine gleichmäßige Leistungsaufteilung zwischen den Parallelwandlern zu gewährleisten. Die Gestaltung dieser Systeme kann zwar kompliziert sein, doch viele Hersteller stellen Unterlagen und Anleitungen für die Umsetzung solcher Systeme zur Verfügung. Dennoch können Entwurf und Tests eine Herausforderung darstellen und erfordern ein sachkundiges und erfahrenes Entwicklungsteam. Da diese Designs von den verwendeten Wandlern abhängen, wird in diesem Blog nicht weiter darauf eingegangen.

Parallelisierung von Wandler-Stromquellen

Abbildung 2 zeigt ein vereinfachtes Modell für die Parallelschaltung von zwei Wandlern. Wenn Wandler als Stromquellen fungieren, ergibt sich der Gesamtstrom bei Parallelschaltung aus der Summe der Einzelströme.

Abbildung 2: Anschauliches Modell der Parallelschaltung von Wandler-Stromquellen. (Bildquelle: Ganmar Technologies)

Parallelisierung mit GMR10DX-Wandlern

Die Leistungswandler der Serie GMR10Dx von Ganmar Technologies verfügen über eine Topologie, bei der sich die Ausgänge wie Stromquellen verhalten. In Abbildung 3 ist die Rückkopplungsschleife an die Primärseite des Transformators angeschlossen, wodurch sie von der Ausgangslastschaltung isoliert ist.

Abbildung 3: GMR10Dx-Topologie. (Bildquelle: Ganmar Technologies)

Wie in Abbildung 4 dargestellt, erfordert die Parallelschaltung dieser Wandler nur minimale zusätzliche Schaltungen, vor allem die Einbindung von Droop-Widerständen. Droop-Widerstände tragen dazu bei, die Schwankungen der Ausgangsspannung der einzelnen Wandler auszugleichen. Es empfiehlt sich auch, eine Mindestlast für die anderen Ausgänge bereitzustellen, um eine gut geregelte Leistung beim Einsatz der GMR10DX-Familie zu gewährleisten. Platzieren Sie außerdem 22 uF/25 V MLCC-Kondensatoren (X7R oder X5R) und 470 uF/35 V Tantalkondensatoren am Lastpunkt, um lokale Impulsströme zu unterstützen, eine gängige Praxis bei der Versorgung von ICs. Achten Sie auf das Wärmemanagement, da schwere Lasten die Nennwerte der Komponenten überschreiten können. Der technische Support von Ganmar Technologies steht Ihnen bei Problemen mit dem Design zur Verfügung.

Abbildung 4: Parallelschaltung von Wandlern zur Versorgung größerer Lasten. (Bildquelle: Ganmar Technologies)

Weitere Empfehlungen

Das Erdungsmanagement ist ein kritischer, aber manchmal übersehener Aspekt der Systemtechnik. Bei der Versorgung von Wandlern aus einer gleichgerichteten Wechselstromquelle (einphasig oder dreiphasig) wird empfohlen, den primärseitigen Rücklauf getrennt zu halten.

Fazit

Mit mehreren DC/DC-Wandlern ist es möglich, eine höhere Anlauf- oder Vorspannungsleistung an Ihre Verbraucher zu liefern. Wenn Ihre Last aus mehreren Geräten besteht, kann jedes von einzelnen Wandlern versorgt werden, die alle an einen einzigen gemeinsamen Rücklauf angeschlossen sind. Bei nicht teilbaren Lasten müssen die Wandler parallel geschaltet werden, wobei auf die Stabilität der Rückkopplungsschleife zu achten ist. Die GMR10Dx-Familie kann mit minimalen zusätzlichen Komponenten parallel geschaltet werden, und Ganmar Technologies bietet technischen Support, um bei Anwendungsdetails zu helfen.