Einführung in getaktete Stromversorgungen (SMPS)

Getaktete Stromversorgungen (SMPS) sind im Vergleich zu linearen geregelten Stromversorgungen recht komplex. Diese Komplexität führt jedoch zu einer stabilen, geregelten Gleichstromversorgung, die bei gegebener Größe, Gewicht und Kosten effizienter Strom liefern kann. Dieser Artikel ist der erste in einer Reihe über Schaltnetzteile, ihre verschiedenen Topologien, Vorteile und Anwendungen.

Einführung: Grundlagen der Energieumwandlung

Ein Netzteil nimmt ungeregelten Strom auf und wandelt ihn in stabilen, geregelten Strom um. Elektronische Geräte werden in der Regel mit Niederspannungs-Gleichstromversorgungen betrieben, deren Quelle entweder eine Batterie, eine Kombination aus Batterie und DC/DC-Wandler oder eine Stromversorgung ist, die Wechselstrom in eine oder mehrere Niederspannungs-Gleichstromversorgungen umwandelt.

Ein Netzgerät ist ein wichtiges Element im Prozess der Energieumwandlung. Fast alle elektronischen Geräte benötigen eine gut geregelte Gleichstromversorgung, die rauscharm ist und schnell auf Laständerungen reagiert. Einige Netzteile bieten auch eine Isolierung vom Eingang zum Ausgang für Sicherheit und Überspannungsschutz.

Es gibt zwei Arten von geregelten Stromversorgungen: linear geregelte Stromversorgungen und Schaltnetzteile (SMPS). Wir werden hauptsächlich über SMPS sprechen, aber ein kurzer Vergleich zwischen den beiden Typen wird einen zusätzlichen Kontext liefern.

Lineare Stromversorgung vs. SMPS

Die wichtigsten Vorteile eines SMPS sind Effizienz, Größe und Gewicht. Ein lineares Netzteil enthält einen Netztransformator und einen dissipativen Serienregler. Das bedeutet, dass das Netzteil extrem große und schwere 50/60-Hz-Transformatoren und sehr schlechte Leistungsumwandlungswirkungsgrade hat, was beides schwerwiegende Nachteile sind.

Das Design von Schaltnetzteilen ist im Vergleich zu linearen geregelten Netzteilen recht komplex. Diese Komplexität führt jedoch zu einer stabilen und geregelten Gleichstromversorgung, die in der Lage ist, bei gegebener Größe, Gewicht und Kosten mehr Leistung auf effiziente Weise zu liefern.

Durch die Verwendung hoher Schaltfrequenzen wird die Größe der magnetischen Komponenten und der zugehörigen Filterkomponenten im SMPS im Vergleich zu linearen Stromversorgungen erheblich reduziert. Ein SMPS, das mit 20 kHz arbeitet, reduziert beispielsweise die Größe der Komponenten um das Vierfache, und bei 100 kHz und darüber steigt sie auf das Achtfache. Dies bedeutet, dass mit einem SMPS-Design sehr kompakte und leichte Stromversorgungen hergestellt werden können. Heutzutage ist dies eine wesentliche Anforderung für die meisten elektronischen Systeme.

SMPS-Übersicht

Schaltnetzteile verwenden Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen, um elektrische Energie auf hocheffiziente Weise von der Quelle zur Last zu übertragen. Der Schaltvorgang wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert, und die Spannungsregelung erfolgt durch Variation des Tastverhältnisses der PWM.

Da die elektronischen Geräte immer kleiner werden, verlangt der Markt, dass auch die Stromrichter dies tun. Seit der Einführung der Schaltnetzteiltechnik war dies eher ein evolutionärer als ein revolutionärer Prozess. Da der globale Markt Realität ist, arbeiten Stromversorgungen mit einem breiten Eingangsbereich, um die weltweiten Schwankungen in der Wechselstromversorgung abzudecken.

Grundlegende SMPS-Schaltung

• Eingangsgleichrichter und Filter: Dient der Umwandlung eines AC-Eingangs in DC. Bei einem SMPS mit Gleichstromeingang ist diese Stufe nicht erforderlich. Der Gleichrichter erzeugt ungeregelten Gleichstrom, der dann durch den Filterkreis geleitet wird.
• Wechselrichter: Die Wechselrichterstufe wandelt Gleichstrom (entweder direkt vom Eingang oder von der Gleichrichterstufe) in Wechselstrom um, indem sie ihn durch einen Leistungsoszillator laufen lässt, dessen Ausgangstransformator sehr klein ist und nur wenige Wicklungen mit einer Frequenz von 10 bis einigen 100 KHz hat.
• Schalttransformator: Wenn der erforderliche Ausgang vom Eingang isoliert werden soll, verwendet SMPS einen Hochfrequenztransformator als Isolator zwischen dem Schaltelement und dem Ausgang. Dieser wandelt die Spannung an seiner Sekundärwicklung auf den erforderlichen Ausgangspegel auf- oder ab.
• Ausgangsgleichrichter und Filter: Wandelt den AC-Ausgang in DC um.
• Verordnung: Die Rückkopplungsschaltung überwacht die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom und vergleicht sie mit der Referenzspannung und dem Referenzstrom, um die Ausgangsspannung geregelt/konstant zu halten.

SMPS-Topologien

SMPS-Schaltkreise enthalten Netzwerke aus Transformatoren, Energiespeicher- und Filterinduktoren, Kondensatoren sowie elektronische Leistungsschalter und Gleichrichter. Ihre besondere Anordnung wird als Topologie.

Ein SMPS verringert die Größe und verbessert die Effizienz durch Erhöhung der Betriebsfrequenz. Die Kompromisse sind erhöhte Welligkeit und Rauschen (sowohl leitungsgebundene als auch abgestrahlte EMI) am Ausgang, die bewältigt werden müssen

Faktoren, die bei der Auswahl einer Topologie für eine bestimmte Anwendung zu berücksichtigen sind:

• Ist eine dielektrische Isolierung von Eingang zu Ausgang erforderlich?
• Ist die Ausgangsspannung höher oder niedriger als der gesamte Bereich der Eingangsspannung?
• Sind mehrere Ausgänge erforderlich?
• Setzt die voraussichtliche Topologie die Spannungshalbleiter angemessen unter Spannung?
• Führt die voraussichtliche Topologie zu einer angemessenen Strombelastung der Spannungshalbleiter?
• Wie hoch ist die maximale Spannung an der Primärseite des Transformators und wie hoch ist das maximale Tastverhältnis?
• Wie hoch ist die maximale Leistungsaufnahme?

SMPS-Typen

SMPS lassen sich anhand der Schaltungstopologie in zwei Typen einteilen: nicht-isolierte Wandler und isolierte Wandler.

• Nicht-isolierte Wandler: Die Eingangsquelle und die Ausgangslast haben während des Betriebs einen gemeinsamen Strompfad, und die Energie wird durch Energiespeicherelemente (Induktoren und Kondensatoren) übertragen.
• Isolierte Konverter: die Energie über miteinander gekoppelte magnetische Komponenten (Transformatoren) übertragen wird, wobei die Kopplung zwischen der Versorgung und der Last ausschließlich über ein elektromagnetisches Feld erfolgt, wodurch eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang möglich ist.

In den meisten Anwendungen enthält die SMPS-Topologie einen Leistungstransformator zur Isolierung, Spannungsskalierung durch das Windungsverhältnis und die Möglichkeit, mehrere Ausgänge bereitzustellen. Es gibt jedoch auch nicht isolierte Topologien wie die Abwärts-, Aufwärts- und Abwärts-Aufwärtswandler, bei denen die Leistungsverarbeitung allein durch induktive Energieübertragung erfolgt.

In der nachstehenden Tabelle sind die typischen maximalen Ausgangsleistungspegel der verschiedenen Topologien aufgeführt.

Methoden des Umschaltens

Der Schaltvorgang kann ’hart’ oder ’weich’ sein.

Schlussfolgerung

Trotz ihrer vergleichsweise hohen Komplexität erfreuen sich Schaltnetzteile aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrer Effizienzvorteile zunehmender Beliebtheit.

In unserem nächsten Artikel werden wir einen genaueren Blick auf folgende Themen werfen nicht-isolierte Wandler und ihre Anwendungen.