Offline-Hilfsnetzteile mit höherer Durchbruchspannung und niedrigerem Standby-Strom

Autor: James Lee, ON Semiconductor

Forderungen nach mehr Energieeffizienz wirken sich heute auf alle Bereiche der Automatisierungstechnik aus. Dies schließt auch Elektrogroßgeräte bzw. Haushaltsgeräte mit ein, die zu einer Zeit konzipiert wurden, als der Begriff „Home Automation“ eine ganz andere Bedeutung hatte als heute. Die finanziellen und ökologischen Kosten von Energie hatten vor einigen Jahrzehnten – als wir von diesen Geräten abhängig wurden – eine geringere Priorität als der Komfort für Verbraucher. Dieses Ungleichgewicht hat sich in letzter Zeit geändert und wird jetzt angegangen.

Trotz aller Bemühungen werden viele Haushaltsgeräte aufgrund ihrer Funktion immer einen hohen Energiebedarf haben, das gilt z. B. für eine Kombination aus Heizen von Wasser oder Luft (Wasserkocher, Backofen, Dusche, Waschmaschine), Kühlen von Luft oder anderen Flüssigkeiten (Klimaanlage, Kühlschrank), Konvektion (Toaster und Öfen) oder Antriebe (Elektromotoren in Waschmaschinen, Trocknern und Staubsaugern). Im Haushalt benötigen diese Geräte Energie im kW-Bereich und nehmen den größten Anteil an den Stromkosten zuhause ein.

Daneben bieten immer mehr Consumer-Geräte immer fortschrittlichere Funktionen oder Benutzerschnittstellen. Dabei handelt es sich grundsätzlich um stromsparende Anwendungen, z. B. Sensoren, Displays und berührungsempfindliche (Touch-)Bedienfelder. Das Bereitstellen von Leistung für diese Zusatzfunktionen mit denselben Netzteilen, die an sich für hohe Ströme ausgelegt sind, ist äußerst ineffizient – insbesondere wenn es sich um Funktionen handelt, die verfügbar sein müssen, wenn die eigentlich stromintensiven Funktionen nicht in Betrieb sind. Dies hat zur erhöhten Nachfrage nach zusätzlichen Offline-(Hilfs-)Stromversorgungen geführt, die eine relativ niedrige Leistung von meist <40 W (DC) aus einer AC-Quelle liefern können.

Entscheidend dabei ist, Energie zu liefern, die auch im Standby-Modus so effizient wie möglich ist. Um dies zu erreichen, müssen die Stromversorgungen möglichst kosten-, platz- und energieeffizient implementiert werden.

Produktentwickler müssen auch die Sicherheitsanforderungen von Haushaltsgeräten berücksichtigen. Die Stromversorgung muss dabei häufig isoliert sein, aber in einigen Fällen lässt sich der von der jeweiligen Spezifikation geforderte Grad an elektrischer Isolierung durch das physikalische Design erreichen. Daher besteht eine wachsende Nachfrage nach isolierten und nicht-isolierten Low-Power-Schaltnetzteilen (SMPS; Switched Mode Power Supply), die auf den Anwendungsbereich für stromsparende Offline-Stromversorgungen abzielen.

Vollintegrierte Lösungen

Der Trend zu höherer Integration und robusteren Halbleiterfertigungsprozessen ermöglicht Geräteherstellern, Single-Chip-Lösungen für die Offline-Leistungswandlung zu entwickeln. Durch die Integration des Schalt-MOSFETs und des Steuerschaltkreises in einen einzigen Baustein lassen sich heute Schaltnetzteile mit höherer Leistungsdichte einfacher entwickeln, um die für die Leistungsaufnahme der genannten Hilfsfunktionen optimierte Hilfsenergie für Haushaltsgeräte zu liefern.

Die von einer Hilfsstromversorgung benötigte Leistung variiert je nach Anwendung und Funktion von <1 W bis 70 W. ON Semiconductor entwickelt schon lange Lösungen für diesen Anwendungsbereich und bietet hier ein breites und wachsendes Angebot.

So wurden kürzlich die Hochspannungs-Schaltregler der Serie NCP1067x für stromsparende Offline-Schaltnetzteile eingeführt, die nicht-isoliert (Bild 1) oder isoliert (Bild 2) sind. Sie bieten einen vollständig integrierten Controller und Leistungs-MOSFET im SOIC7-Gehäuse, wodurch sie äußerst klein ausfallen.

Während der NCP1067x im Festfrequenzmodus arbeitet, wechselt er automatisch in den Standby-Modus, sobald die Last abfällt, um den Strombedarf zu verringern (Skip-Cycle-Betrieb). Der Baustein verfügt über einen Selbstversorgungskreis, d. h. es ist keine Hilfswicklung am Transformator erforderlich. Steht dennoch eine Hilfswicklung bereit, lässt sich diese für einen Überspannungsschutz mit Auto-Recovery-Funktion verwenden. Eine Auto-Recovery-Funktion des Kurzschlussschutzs am Ausgang ist ebenfalls mit Hilfe einer zeitbasierten Erkennung implementiert.

Dank der Very-High-Voltage-Technologie von ON Semiconductor verfügt der NCP1067x über einen integrierten 700-V-Leistungs-MOSFET mit einem RDS(on) von nur 12 Ω. In einer Open-Frame-Konfiguration, die an 230 VAC angeschlossen ist, können Entwickler ein Netzteil mit einer Leistung von 15,5 W herstellen. Um die EMV zu verbessern, verwendet der NCP1067x Frequenzjittering, indem er eine ±6%ige Schwankung um die Nennschaltfrequenz einführt. Die zum Anlegen von Jitter verwendete Sägezahnwellenform wird intern erzeugt. Bei nicht isolierten Designs wird ein Rückkopplungspin verwendet, der einen kleinen Teil der Ausgangsspannung an einen integrierten Transkonduktanzverstärker (VC-OPV) anlegt.

Steigende Nachfrage nach höherer Durchbruchspannung

Ein weiterer Trend beim Design von Hilfsstromversorgungen ist die Forderung nach einer höheren Durchbruchspannung über dem Leistungs-MOSFET (BUDS; Breakthrough UDS). Diese hängt mit den physikalischen Abmessungen des Transistors zusammen, wobei eine höhere Durchbruchspannung einen größeren Transistor erfordert. In vielen Fällen würde dies zu einer Lösung führen, die für die meisten Zielanwendungen zu groß und zu teuer ist.

Für die Mehrzahl der SMPS-Schalter mit integriertem MOSFET würde eine Planartechnologie verwendet. Um den geforderten Größen- und Kostenbeschränkungen gerecht zu werden, sind heutige Bauelemente mit einer BUDS von 700 V erhältlich. Eine höhere BUDS würde jedoch einen besseren Schutz gegen Überspannungen im Netz und Spannungsspitzen bieten, was zu einem robusteren Endprodukt führt. Daher finden sich am Markt immer mehr elektronische Schalter mit höherer BUDS, die trotzdem zu einer kostengünstigen, kleinen Stückliste führen.

ON Semiconductor hat dafür ein Schaltmodul entwickelt, das einen SMPS-Controller mit einem Leistungs-MOSFET kombiniert, der in SUPERFET®-2-Super-Junction-Technologie hergestellt wird. Damit ergibt sich ein Modul mit einer BUDS von 800 V, das dennoch in einem Dual-Inline-Gehäuse aus Kunststoff gefertigt werden kann. Diese Serie ist die erste, die Herstellern eine praktikable Lösung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit ihrer Produkte bietet und gleichzeitig die kommerziellen Anforderungen des Marktes erfüllt.

Die Current-Mode-Schalter der Serie FSL5x8 sind im PDIP-7-Gehäuse erhältlich und bestehen aus einem PWM-Controller und einem SUPERFET-2-Leistungs-MOSFET. Normalerweise würde eine Durchbruchspannung von 800 V die Verwendung eines Controllers und eines separaten, diskreten MOSFETs erfordern. ON Semiconductor hat es mit der SUPERFET-2-Technologie geschafft, beide Bausteine in einem kleinen Gehäuse zu integrieren.

Entwickler können so mit einem einzigen Baustein, der sich für isolierte (Bild 3) und nicht-isolierte (Bild 4) Flyback-Designs eignet, das obere Leistungsende stromsparender Offline-Hilfsnetzteile (ca. 40 W) bedienen.

Das Hinzufügen des als Komparator fungierenden VC-OPV beim NCP1067x und FSL5x8 erleichtert das Design eines nicht-isolierten Flyback-Wandlers, was den verfügbaren Platz auf der Platine optimiert und die Stückliste minimiert.

Da die überwiegende Mehrheit stromsparender Offline-Netzteile im Flyback-Modus arbeitet, bieten diese beiden Bausteine im Angebot von ON Semiconductor dank ihrer Integration zahlreiche Vorteile bei höherer Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit, was höhere Leistungsdichten und geringere Systemkosten ermöglicht.

Während alle nicht-isolierten Netzteildesigns hinsichtlich der Leistung, die sie liefern können, begrenzt sind, zeigen die hier beschriebenen Entwicklungen, dass es möglich ist, einen Schalter zu entwerfen, der auf das untere und obere Ende des Anwendungsbereichs stromsparender Offline-Hilfsnetzteile abzielt. Und da nicht-isolierte Flyback-Wandler allgemein effizienter sind als isolierte Varianten, fallen auch die Betriebskosten geringer aus.

Wesentliches Ziel beim Einsatz eines Offline-Hilfsnetzteils ist, den vom Endprodukt verbrauchten Standby-Strom zu reduzieren. Durch die Wahl eines hochintegrierten, für die Anwendung optimieren Bausteins können Entwickler dies jetzt mit weniger Platzbedarf auf der Platine und zu minimalen Stücklistenkosten erreichen.