Übertrager ade
Vollintegrierte digitale Isolatoren zur Gate-Ansteuerung von DC/DC-Wandlern
Autoren: Bob Bell, National Semiconductor und Don Alfano, Silicon Labs
Impulsübertrager waren seit der Erfindung der Schaltregler die am meisten verbreitete Methode zur galvanischen Isolation der Gatetreiber-Signale in isolierten DC/DC-Wandlern. Den fraglos hervorragenden Isolationseigenschaften dieser Bauelemente stehen allerdings gewisse Restriktionen gegenüber, die umso stärker ins Gewicht fallen, je mehr mit großen Tastverhältnissen gearbeitet wird. Dies ist beispielsweise bei der Ansteuerung von Synchrongleichrichter-MOSFETs in Halb und Vollbrücken-Topologien der Fall.
Inzwischen werden vollintegrierte digitale Isolatoren angeboten, die digitale Informationen mithilfe einer Hochfrequenz-Koppeltechnologie über die Isolationsbarriere übertragen. Nachfolgend wird die hierfür verwendete Technologie vorgestellt. Als Anwendungsbeispiel dient ein DC/DC-Wandler in Halbbrücken-Topologie.
Bei dem isolierten Halbbrücken-Leistungswandler mit einem auf die primärseitige Masse bezogenen Regler gem. Bild 1 wird die Isolationsbarriere insgesamt viermal überquert: nämlich vom Leistungsübertrager, vom Feedback-Signal und von zwei Ansteuersignalen für die Synchrongleichrichter-MOSFETs. Für die galvanische Isolation des Feedback-Signals verwendet man meist einen Optokoppler, da es sich hier um ein relativ niederfrequentes analoges Signal handelt. Impulsübertrager waren stets die meistverwendete Methode zum Isolieren der Gatetreiber-Signale für die Synchrongleichrichter. In der Regel setzt man einen kleinen Ferritkern mit zwei Wicklungen von gleicher Windungszahl ein.
 - Bild 1:Halbbrücken-Leistungswandler mit vom Controller angesteuerten Synchrongleichrichter-MOSFETs
Derartige Übertrager können entweder zur direkten Ansteuerung der MOSFET-Gates dienen oder beschränken sich auf die Isolation des Steuersignals, das anschließend einem Gatetreiber-IC auf der Sekundärseite zugeführt wird. Übertrager können keinen Gleichstrom übertragen, und jeder Übertrager kann abhängig von seiner Größe nur ein endliches Spannungs-Zeit-Produkt über die Isolationsbarriere übertragen. Die Tatsache, dass der Übertrager außerdem nach jedem On-Intervall entmagnetisiert werden muss, begrenzt das Tastverhältnis und bringt zahlreiche Herausforderungen für das Design mit sich.
Bild 2 zeigt die mit einem Übertrager isolierte Gate-Ansteuerung in ihrer einfachsten Form. Im Eingang liegt ein DC-Sperrkondensator, um den Kern zu entmagnetisieren und eine Sättigung zu verhindern. Mit einem Treibersignal von 10 V und 50 % Tastverhältnis baut sich am Sperrkondensator ein DC-Bias von 5 V auf (Produkt aus Treiberspannung und Tastverhältnis). Sekundärseitig liegt in diesem Fall eine Amplitude von +5 V bis 5 V an. Das negative Potenzial im Aus-Zustand hat den Vorteil, dass es für eine sehr hohe Störimmunität sorgt, doch geht die Hälfte des Potenzials im On-Zustand verloren. Dieses Verfahren ist bei Tastverhältnissen über 50 % nicht besonders praktikabel, da das Potenzial im Ein-Zustand mit wachsendem Tastverhältnis immer kleiner wird. Vorsicht ist in Anwendungen geboten, in denen sich das Tastverhältnis rasch ändern kann, denn hier können Funktionsfehler oder Beschädigungen nicht ausgeschlossen werden. Ändert sich die Bias-Spannung am Koppelkondensator infolge einer Änderung des Tastverhältnisses, kann der Kondensator zusammen mit der Magnetisierungs-Induktivität des Übertragers einen Schwingkreis bilden, dessen Oszillationen den MOSFET in nicht vorgesehenen Zeitintervallen einschalten können.
 - Bild 2: Prinzip der Gate-Ansteuerung mit Isolation per Übertrager
Bild 3 zeigt eine weitere übertragerisolierte Gate-Ansteuerung, die häufig als „DC-restored- Gate Drive“ bezeichnet wird. Die Diode und der sekundärseitige Kondensator stellen den DC-Wert des Gate-Treibersignals wieder her und ermöglichen den Betrieb mit größeren Tastverhältnissen. Auch bei dieser Schaltung können jedoch dieselben Schwing-Erscheinungen wie bei der zuvor beschrieben Grundschaltung auftreten, und auch eine Sättigung des Übertragers ist möglich. Ein zusätzliches Risiko entsteht bei dieser Schaltung, wenn der Leistungswandler abgeschaltet wird [1]. In diesem Fall wird der Reglerausgang mit Masse verbunden und der primärseitige Kondensator liegt für eine unbestimmte Zeitspanne direkt an der Primärwicklung. Hierdurch kann sich ein hoher primärseitiger Magnetisierungsstrom aufbauen, der zur Sättigung des Übertragers führt. Bei einer Sättigung des Übertragers kommt die Sekundärwicklung einem Kurzschluss gleich. Der sekundärseitige Kondensator kann dadurch den Synchrongleichrichter-MOSFET einschalten, was möglicherweise zur Zerstörung des Leistungswandlers führt. Die Verwendung von Koppelkondensatoren mit niedriger Kapazität kann helfen, diesen Effekt einzudämmen. Generell kann die übertragerisolierte Gate-Ansteuerung zufriedenstellende Ergebnisse liefern, wenn Sorgfalt beim Design und bei der Evaluierung angewandt wird und das Tastverhältnis höchstens 50 % beträgt. Bei Anwendungen in der Art des in Bild 1 gezeigten Leistungswandlers müssen die Synchrongleichrichter jedoch mit Tastverhältnissen von deutlich über 50 % arbeiten. Die Verwendung von Übertragern zur Isolation bei solch hohen Tastverhältnissen erfordert den Einsatz der DC-Restore-Technik, die jedoch Risiken birgt und besondere Achtsamkeit bei Design und Evaluierung verlangt.
Die Designer leistungsfähiger isolierte DC/DC-Wandler streben stets nach höheren Wirkungsgraden und kleineren Abmessungen. Eine per Übertrager isolierte Gate-Ansteuerung aber ist relativ unkompakt, denn neben dem Übertrager selbst werden zusätzlich auch die Bauelemente zur Kern-Entmagnetisierung benötigt.
Mit dem Si8420 bietet die Firma Silicon Laboratories einen stromsparenden, zweikanaligen Digital-Isolator an, der einen HF-Koppler zum Übertragen digitaler Informationen über die Isolationsbarriere nutzt [2]. Mit dem Einsatz dieses Bausteins anstelle eines Übertragers vermeidet man eine ganze Reihe von Designproblemen wie etwa die Tastverhältnis-Restriktionen und das nicht-monotone Abfallen des Ausgangs beim Abschalten. Nicht zuletzt wird durch den Verzicht auf den Impulsübertrager mit seinen Entmagnetisierungs-Komponenten Strom und Platz gespart.
 - Bild 3: Übertragerisolierte Gate-Ansteuerung mit DC-Restore-Funktionalität
Die Funktionsweise des Si8420 entspricht der eines Optokopplers, allerdings erfolgt die Übertragung nicht mit Licht, sondern mit einem HF-Trägersignal. Der Si8420 enthält in einem standardmäßigen IC-Gehäuse zwei identische CMOS-Chips mit je zwei Sende und Empfangsschaltungen, die durch eine kapazitive Isolationsbarriere voneinander getrennt sind (Bild 4). Nach dem Wirebonding bilden die beiden Chips ein von einer differenziellen Isolationsbarriere getrenntes HF-Sender und -Empfängerpaar. Die Übertragung von Daten zwischen Eingang und Ausgang erfolgt durch Ein/Aus-Tastung des HF-Signals. Ein logischer 1-Zustand am Eingangs-Pin veranlasst den Sender einen HF-Träger zu erzeugen, der sich über die Isolationsbarriere hinweg ausbreitet. Wenn er einen ausreichend starken In-Band-Träger registriert, setzt der Empfänger daraufhin den Ausgang auf logisch 1. Umgekehrt bewirkt ein logischer 0-Status am Eingang das Abschalten des Trägers, woraufhin der Empfänger den Ausgang ebenfalls auf logisch 0 setzt. Diese einfache Architektur zeichnet sich durch eine kurze Signallaufzeit von 10 ns, eine geringe Leistungsaufnahme von nur 8 mW/Kanal sowie eine hohe Betriebssicherheit bei Tastverhältnissen von 0 bis 100 % aus. Hinzu kommt die typische Zuverlässigkeit und Performance der CMOS-Prozesstechnologie. CMOS-Isolatoren sind einfach anzuwenden und erfordern lediglich einen möglichst nah am Gehäuse zu platzierenden 1-µF-Bypass-Kondensator zwischen den Stromversorgungs und Masse-Pins der Eingangs und Ausgangsseite.
Gleich welches Isolationsverfahren man anwendet, können Leistungswandler-Applikationen in jedem Fall Herausforderungen mit sich bringen. Besondere Aufmerksamkeit ist der Empfindlichkeit gegen steile Spannungsspitzen (d. h. hohe dV/dt-Werte) zu widmen. Hierzu wird das Potenzial schnell von der einen zur anderen Masse verändert, um zu überprüfen, ob der differenzielle Ausgang des Isolators während und nach dieser steilen Flanke seinen Zustand hält. Die Ein/Aus-Tastung eines HF-Trägers sorgt hier für bisher unerreichte Störimmunität, da die Information über den Soll-Zustand mit einer sehr hohen Wiederholrate gesendet und empfangen wird. Ein weiterer Aspekt ist die elektromagnetische Verträglichkeit, denn der Isolator muss den jeweiligen Zustand auch unter dem Einfluss externer Felder aufrechterhalten. Primär und Sekundärseite des Bausteins erfordern jeweils eine Vorspannung von 5 V, wobei es auf eine gute Entkopplung dieser Bias-Spannungen ankommt. Die eingangsseitige Ansprechschwelle ist für TTL-Pegel konfiguriert und auf maximal 5 V begrenzt. Um direkt kompatibel zu digitalen Isolatoren zu sein, verfügen einige neue Controller-Bausteine wie der LM5035C von National Semiconductor über Regelausgänge mit einem Spannungsbereich von 0 bis 5 V [3].
 - Bild 4: Blockschaltbild und Übertragungsprotokoll des Si8420
Bild 5 zeigt einen isolierten Halbbrücken-DC/DC-Wandler, der gemeinsam von Silicon Labs und National Semiconductor entwickelt wurde. In diesem Referenzdesign kommt der primärseitige Controller/Gatetreiber-Baustein LM5035C (Bild 6) in Verbindung mit dem zweikanaligen Digitalisolator Si8420 zum Einsatz. Der PWM-Controller LM5035C enthält zwei integrierte, für 2 A dimensionierte Halbbrücken-Gatetreiber und Sync-FET-Ausgänge, die über den Digitalisolator Si8420 die sekundärseitig angeordneten Synchrongleichrichter-MOSFETs ansteuern. Die Totzeit zwischen den Ein/Aus-Übergängen der Haupt und Synchrongleichrichter lässt sich mit einem einzigen externen Widerstand festlegen. Der Digitalisolator Si8420 benötigt deutlich weniger Leiterplattenfläche als die beiden Gatetreiber-Übertrager, die bisher in diesem Design verwendet wurden. Das Referenzdesign ist für einen Eingangsspannungsbereich von 36 bis 78 V ausgelegt und verkraftet kurzzeitige Spannungsspitzen bis 100 V. Der Ausgang ist für 3,3 V und eine Leistung bis zu 100 W konfiguriert. Die Halbbrücken-Topologie eignet sich hervorragend für isolierte Stromversorgungs-Module mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte, wie sie in Equipment für die Kommunikations-Infrastruktur häufig verwendet werden.
 - Bild 5: Schaltbild des DC/DC-Leistungswandlers in Halbbrücken-Topologie [Klicken für Großansicht]
 - Bild 6: Blockschaltbild des Controller/Gatetreiber-Bausteins LM5035C [Klicken für Großansicht]
Nützliche Links:
http://www.national.com
http://www.national.com/pf/LM/LM5035C.html#Overview
http://www.national.com/store/view_item/index.html?nsid=LM5035CEVAL
http://bit.ly/LM5035C (Video)
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