Mit einem speziellen Switched-Capacitor-Controller lässt sich Ladungspumpentopologie jetzt auch bei hohen Leistungen einsetzen.

Bild: iStock, Erhui1979

Switched-Capacitor-Wandler für Hochleistungs-Anwendungen Effizient unter Spannung

09.05.2019

Mit dem neuen Switched-Capacitor-Controller LTC7820 lassen sich Zwischenspannungsapplikationen auch für hohe Leistungen kompakt und hocheffizient umsetzen – Fehlerschutz inklusive.

Die Leistungsdichte von Gleichspannungswandlern bei Anwendungen mit relativ hohen Ein- und Ausgangsspannungen stößt an Grenzen. Das liegt vor allem an den sperrigen magnetischen Bauteilen. Zwar lässt sich die Größe der Drosseln und Übertrager verringern, indem man mit höheren Schaltfrequenzen arbeitet, jedoch handelt man sich dann wegen der größeren Schaltverluste einen niedrigeren Wirkungsgrad ein.

Vor diesem Hintergrund ist es besser, ganz auf magnetische Bauteile zu verzichten und stattdessen eine Ladungspumpentopologie (Switched Capacitor) zu verwenden. Mit Ladungspumpen lässt sich die Leistungsdichte gegenüber einem konventionellen Wandler um bis zu 1.000 Prozent erhöhen, ohne dass der Wirkungsgrad absinkt. Anstelle einer Drossel übernimmt ein „fliegender“ Kondensator die Aufgabe, die Energie zu speichern und vom Ein- zum Ausgang zu übertragen.

Ladungspumpen auch für hohe Leistung

Bisher konnte die Ladungspumpentopologie nur für Anwendungen mit geringer Leistung genutzt werden, weil das Anlaufverhalten, die Gate-Ansteuerung und die Regelung gewisse Herausforderungen mit sich bringen. Mit dem Baustein LTC7820 steht nun ein Switched-Capacitor-Controller mit festgelegtem Umwandlungsverhältnis zur Verfügung, mit dessen Hilfe sich auch für hohe Leistungen kompakte und kosteneffektive Lösungen für nicht-isolierte Zwischenspannungsapplikationen mit Fehlerschutz realisieren lassen. Der LTC7820 punktet unter anderem mit folgenden Eigenschaften:

  • flache Bauform durch ein thermisch optimiertes, 4 mm × 5 mm großes QFN-Gehäuse mit 28 Anschlüssen

  • hohe Leistung von 500 W und mehr

  • die maximale Eingangsspannung für Spannungsteiler beträgt 72 V, für Spannungsverdoppler beziehungsweise Inverter beträgt sie 36 V

  • großer VCC-Bereich von 6 bis 72 V

  • sanftes Schaltverhalten: maximaler Wirkungsgrad von 99 Prozent und niedrige EMI

  • sanftes Anlaufverhalten in den stationären Betrieb

  • Eingangsstromerfassung

  • Ausgangskurzschluss-, Überstrom-, Überspannungs- und Unterspannungsschutz mit programmierbarem Timer und Retry-Funktion

  • integrierte Gate-Treiber

Der LTC7820 wird den Leistungsdichteanforderungen von Buswandlern, dezentralen Stromversorgungssystemen mit hoher Leistung, Kommunikationssystemen und auch industriellen Anwendungen gerecht. Induktive Bauelemente werden nicht zusätzlich benötigt.

Wirkungsgrad von 99,3 Prozent

In der entsprechenden Abbildung ist ein auf dem LTC7820 basierender Spannungsteiler mit einer Ausgangsleistung von 480 W zu sehen. Bei einer Eingangsspannung von 48 V und einer Ausgangsspannung von 24 V unterstützt die Schaltung Lastströme bis zu 20 A. Als fliegender Kondensator fungieren sechzehn 10-µF-Keramikkondensatoren im 1210-Format. Die Abmessungen der Lösung betragen 23 mm × 16,5 mm × 5 mm, die Leistungsdichte beträgt etwa 854 W/cm3.

Da die Schaltung ohne Drossel auskommt, werden alle vier MOSFETs sanft geschaltet. Dadurch lassen sich die Verluste erheblich reduzieren. Der Wandler besitzt einen maximalen Wirkungsgrad von 99,3 Prozent. Bei Volllast beträgt die Effizienz noch 98,4 Prozent. Ein Wärmebild lässt die gute thermische Ausgewogenheit des Designs erkennen. Bei einer Umgebungstemperatur von 23 °C und ohne Zwangsbelüftung werden am wärmsten Punkt rund 82,3 °C gemessen.

Prebalance gegen Inrush-Ströme

Abgesehen von der Effizienz und den guten thermischen Eigenschaften punktet der LTC7820 mit einer proprietären Prebalance-Methode. Mit ihr lässt sich bei Spannungsteileranwendungen der Inrush-Strom minimieren. Dafür detektiert der LTC7820 vor dem Schalten die am VLOW_SENSE-Pin anliegende Spannung und vergleicht sie mit VHIGH_SENSE/2. Ist der erstgenannte Wert deutlich niedriger als der zweite, fließt aus einer Quelle ein Strom von 93 mA in den VLOW-Pin, um VLOW zu erhöhen. Ist die Spannung am VLOW_SENSE-Pin deutlich höher als VHIGH_SENSE/2, zieht eine andere Quelle 50 mA aus dem VLOW-Pin, um das Potenzial abzusenken. Sind die beiden Spannungen ungefähr gleich hoch, werden beide Quellen deaktiviert und der LTC7820 beginnt zu schalten.

Obwohl es sich beim LTC7820-basierten Spannungsteiler um einen ungeregelten Wandler handelt, ist die Lastregelung aufgrund des hohen Wirkungsgrades sehr genau. Bei Volllast geht die Ausgangsspannung nur um 1,7 Prozent zurück.

Schutzfunktionen für Zuverlässigkeit

Um eine hohe Zuverlässigkeit des Wandlers zu gewährleisten, enthält der LTC7820 unterschiedliche Schutzfunktionen. Der Überstromschutz wird beispielsweise durch einen Messwiderstand auf der Hochspannungsseite aktiviert. Ein präziser Rail-to-Rail-Komparator überwacht die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Pins für ISENSE+ und ISENSE–. Sie sind per Kelvinkontaktierung an einen Abtastwiderstand angeschlossen. Sobald die Spannung an ISENSE+ um 50 mV höher ist als diejenige an ISENSE–, wird ein Überstromfehler ausgelöst. Der Fault-Pin wird auf Masse gezogen, woraufhin der LTC7820 das Schalten einstellt und abhängig von der Beschaltung des Timer-Pins in den Retry-Modus wechselt.

Weiteren Schutz bietet der Über- und Unterspannungsfensterkomparator. Im regulären Betrieb sollte die Spannung an VLOW_SENSE etwa die Hälfte derjenigen an VHIGH_SENSE betragen. Ein Fensterkomparator überwacht deshalb VLOW_SENSE und vergleicht den Wert mit VHIGH_SENSE/2. Die Hysterese ist programmierbar und entspricht der Spannung am HYS_PRGM-Pin. Mit einem 100-kΩ-Widerstand an diesem Pin muss VHIGH_SENSE/2 beim Hochfahren und während des regulären Betriebs in einem Fenster von VLOW_SENSE ±1 V liegen. Anderenfalls wird ein Fehler ausgelöst und der LTC7820 stellt das Schalten ein.

Bildergalerie

  • Dieser auf dem LTC7820 basierende 48-V/24-V-Spannungsteiler für Lastströme bis 20 A kommt auf eine Leistungsdichte von 854 W/cm3.

    Bild: Analog Devices

  • Das Wärmebild bei einer Eingangsspannung von 48 V, einer Ausgangsspannung von 24 V, einem Laststrom von 20 A und einer Schaltfrequenz von 200 kHz zeigt die sehr gute thermische Ausgewogenheit des LTC7820.

    Bild: Analog Devices

  • Beim Hochfahren ohne Prebalance treten hohe Inrush-Ströme auf (links). Erfolgt das Hochfahren hingegen mit der Prebalance-Methode des LTC7820, kommt es zu keinen Inrush-Strömen (rechts).

    Bild: Analog Devices

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel