Schaltnetzteil-Topologien im Vergleich

Die allgegenwärtigen linearen Stromversorgungen sind seit Jahren auf dem Rückzug, seit dem Aufkommen der Schaltnetzteile (SMPS). Der eindeutige Vorteil von SMPS gegenüber linearen Stromversorgungen liegt in der Größe und Effizienz, und angesichts der weltweiten Energiekrise, die sich auf der internationalen, kommerziellen und politischen Bühne abzeichnet, hat sich der Trend zu SMPS noch beschleunigt.

Schaltnetzteile vs. Lineare Stromversorgungen

Als neue Technologie war die SMPS-Technologie aufgrund der hohen Anzahl von Bauteilen teurer als die lineare Technologie. Mit dem Beginn des elektronischen Zeitalters sind die Bauteilkosten jedoch so weit gesunken, dass der hohe Anteil an Kupfer und Eisen im Lineartransformator die SMPS-Technologie kostengünstiger gemacht hat.

Trotz der Nachteile, dass sie komplexer sind und mehr Sorgfalt bei der Beherrschung der EMI erfordern, überwiegen die Vorteile von Schaltnetzteilen bei allen Anwendungen mit Ausnahme einiger weniger Nischenanwendungen bei weitem die Vorteile von linearen Netzteilen.

Die Stufen von Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile bestehen aus einer Reihe von verschiedenen Stufen. Handelt es sich bei dem Eingang um einen Wechselstromeingang, dann muss die Eingangsstufe sowohl den Eingangsfilter als auch einen Gleichrichter zur Umwandlung in einen Gleichstromeingang enthalten. DC/DC-Wandler benötigen keinen Gleichrichter. Die Wechselrichterstufe wandelt den Gleichstromeingang sofort wieder in einen Wechselstromeingang um, indem sie die Gleichstromeingangsspannung mit einer viel höheren Frequenz als der ursprüngliche Wechselstromeingang ein- und ausschaltet. Die Betriebsfrequenz wird häufig im Bereich von 20kHz bis 150kHz gewählt, was hoch genug ist, um außerhalb des hörbaren Bereichs zu liegen, und niedrig genug, um die FCC-Anforderungen für leitungsgebundene EMI nicht zu überschreiten.

Nach der Wechselrichterstufe sorgt die Ausgangsstufe für die Gleichrichtung und Filterung des Ausgangs. Wenn ein isoliertes Design erforderlich ist, wird ein Transformator zwischen Gleichrichter und Ausgangsstufe geschaltet. Dieser Transformator kann aufgrund der höheren Schaltfrequenz viel kleiner, leichter und billiger sein als der Transformator des linearen Netzteils.

Zwischen der Endstufe und der Wechselrichterstufe befindet sich ein Regler, der die Leistung überwacht und die Schaltvorgänge anpasst, um die Leistung auf dem gewünschten Niveau zu halten.

Die wichtige Entscheidung für eine Topologie

Beim Design von Stromversorgungen geben die Design-Kriterien in der Regel einem Schaltnetzteil den Vorzug gegenüber einem linearen Netzteil. Wenn es darum geht, zu entscheiden, welche SMPS-Topologie verwendet werden soll, kann die Entscheidung oft schwieriger sein.

Die Wahl der falschen Topologie kann dazu führen, dass Ihr Design-Projekt nicht Ihren Kostenzielen, Wirkungsgradzielen oder einer Vielzahl anderer Anforderungen entspricht, die Sie möglicherweise haben.

Überblick über die wichtigsten SMPS-Topologien

Buck Converter

Abwärtswandler sind eine der einfachsten, billigsten und gängigsten Topologien. Diese Topologie eignet sich zwar nicht für Anwendungen, bei denen eine Isolierung erforderlich ist, aber sie ist ideal als Gleichstromwandler zur Spannungsreduzierung. Mit einem Abwärtswandler lassen sich nicht nur hohe Wirkungsgrade, sondern auch hohe Leistungen erzielen, insbesondere bei mehrphasigen Topologien. Der Nachteil von Abwärtswandlern ist, dass der Eingangsstrom immer diskontinuierlich ist, was zu einer höheren EMI führt.

EMI-Probleme können jedoch mit Filterkomponenten wie Chip-Beads, Gleichtaktdrosseln und Filterdrosseln gelöst werden.

Für die Buck-Topologie ist nur eine einzige Induktivität für einphasige Anwendungen erforderlich, und es sind Katalogdrosseln für eine Vielzahl von Anwendungen erhältlich. Darüber hinaus können kundenspezifische Induktoren für spezielle Induktivitäts-/Stromwerte sowie für Anwendungen entwickelt werden, die zusätzliche Wicklungen für die Sensorik oder die Stromversorgung des Reglers erfordern.

Erfahren Sie mehr über die Buck-Topologie im Application Guide

Boost Converter

Die Boost-Topologie ist, wie die Buck-Topologie, nicht isolierend. Im Gegensatz zur Abwärtswandlertopologie wird bei der Aufwärtswandlertopologie die Spannung erhöht, anstatt sie zu verringern. Da die Boost-Topologie im Dauerleitungsmodus kontinuierlich und gleichmäßig Strom entnimmt, ist sie die ideale Wahl für Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur. Wie bei der Abwärts-Topologie gibt es auch für die in Boost-Schaltungen verwendete Induktivität eine große Auswahl an Katalogen, und für spezielle Anforderungen sind auch kundenspezifische Induktivitäten erhältlich.

Erfahren Sie mehr über die Boost-Topologie im Application Guide

Boost-Buck Converter

Mit der Buck-Boost-Topologie kann die Spannung entweder erhöht oder gesenkt werden. Diese Topologie ist besonders nützlich bei batteriebetriebenen Anwendungen, bei denen die Eingangsspannung im Laufe der Zeit schwankt, hat aber den Nachteil, dass die Ausgangsspannung invertiert wird. Ein weiterer Nachteil der Buck-Boost-Topologie ist, dass der Schalter keine Masse hat, was die Ansteuerungsschaltung verkompliziert. Bei Verwendung einer einzigen Induktivität wie bei der Buck- und der Boost-Topologie sind die Buck-Boost-Induktivität und die EMI-Komponenten leicht erhältlich.

SEPIC/Ćuk Converter

Bei den SEPIC- und Ćuk-Topologien werden neben zwei Induktivitäten auch Kondensatoren zur Energiespeicherung verwendet. Bei den beiden Induktivitäten kann es sich entweder um getrennte Induktivitäten oder um eine einzige Komponente in Form einer gekoppelten Induktivität handeln. Beide Topologien ähneln der Buck-Boost-Topologie, da sie die Eingangsspannung erhöhen oder verringern können, was sie ideal für Batterieanwendungen macht.

Der SEPIC hat gegenüber dem Ćuk und dem Abwärtswandler den zusätzlichen Vorteil, dass sein Ausgang nicht invertierend ist. Ein Vorteil der SEPIC/Ćuk-Topologien ist, dass der Kondensator eine begrenzte Isolierung bieten kann. Für die SEPIC- und Ćuk-Topologien sind kataloggekoppelte Induktivitäten verfügbar, und für spezielle Anforderungen sind auch kundenspezifische Induktivitäten leicht erhältlich.

Erfahren Sie mehr über die SEPIC-Topologie im Application Guide

Flyback Converter

Bei der Sperrwandlertopologie handelt es sich im Wesentlichen um die Buck-Boost-Topologie, die durch die Verwendung eines Transformators als Speicherinduktivität isoliert ist. Aber wie funktioniert der Sperrwandler? Der Transformator sorgt nicht nur für die Isolierung, sondern durch Veränderung des Windungsverhältnisses kann die Ausgangsspannung angepasst werden. Da ein Transformator verwendet wird, sind mehrere Ausgänge möglich. Der Sperrwandler ist die einfachste und gebräuchlichste der isolierten Topologien für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Sie eignet sich zwar gut für hohe Ausgangsspannungen, aber die Spitzenströme sind sehr hoch, und die Topologie eignet sich nicht für Ausgangsströme über 10 A.

Ein Vorteil der Sperrwandlertopologie gegenüber den anderen isolierten Topologien ist, dass viele von ihnen eine separate Speicherinduktivität erfordern. Da der Flyback-Transformator in Wirklichkeit die Speicherinduktivität ist, wird keine separate Induktivität benötigt. Dies und die Tatsache, dass der Rest der Schaltung einfach ist, macht die Flyback-Topologie zu einer kostengünstigen und beliebten Topologie.

Erfahren Sie mehr über die Flyback-Topologie im Application Guide

Forward Converter

Der Durchflusswandler ist eigentlich nur ein transformatorisolierter Abwärtswandler. Wie die Flyback-Topologie eignet sich der Durchflusswandler am besten für Anwendungen mit geringerer Leistung. Während der Wirkungsgrad mit dem des Sperrwandlers vergleichbar ist, hat er den Nachteil, dass er eine zusätzliche Induktivität am Ausgang hat und nicht gut für Hochspannungsausgänge geeignet ist. Der Durchflusswandler hat gegenüber dem Sperrwandler einen Vorteil, wenn hohe Ausgangsströme erforderlich sind. Da der Ausgangsstrom nicht pulsierend ist, eignet er sich gut für Anwendungen, bei denen der Strom mehr als 15 A beträgt.

Erfahren Sie mehr über die Forward-Topologie im Application Guide

Was ist der Unterschied zwischen Flyback und Forward Convertern?

Der Unterschied zwischen Flyback vs. Forward Convertern liegt im induktiven Energiespeicher.

Beim Flyback Converter ist der Energiespeicher der Übertrager selbst, weshalb ein Übertrager mit Luftspalt benötigt wird.

Beim Forward Converter wird ein Übertrager ohne Luftspalt verwendet, daher wird eine zusätzliche Speicherdrossel benötigt. Der Forward Converter ist dadurch etwas komplexer im Aufbau, erzielt aber auch eine höhere Effizienz

Push-Pull Converter

Bei der Push-Pull-Topologie handelt es sich im Wesentlichen um einen Durchflusswandler mit zwei Primärwicklungen, die zur Erzeugung einer doppelten Antriebswicklung verwendet werden. Dadurch wird der Kern des Transformators sehr viel effizienter genutzt als beim Sperrwandler oder Durchflusswandler.

Andererseits wird jeweils nur die Hälfte des Kupfers verwendet, wodurch sich die Kupferverluste bei einem Transformator ähnlicher Größe erheblich erhöhen. Bei ähnlichen Leistungen hat der Gegentaktwandler im Vergleich zum Durchflusswandler kleinere Filter.

Der Vorteil von Gegentaktwandlern gegenüber Sperrwandlern und Durchflusswandlern besteht jedoch darin, dass sie für höhere Leistungen skaliert werden können. Die Schaltsteuerung kann bei Push-Pull-Wandlern schwierig sein, da darauf geachtet werden muss, dass nicht beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet werden. Dies führt zu einem gleichen und entgegengesetzten Fluss im Transformator, was eine niedrige Impedanz und einen sehr großen Durchschussstrom durch den Schalter zur Folge hat, der diesen möglicherweise zerstört.

Ein weiterer Nachteil der Push-Pull-Topologie ist, dass die Schalterspannungen sehr hoch sind (2∙VIN), was diese Topologie für 250VAC- und PFC-Anwendungen unerwünscht macht.

Half-Bridge Converter

Die Halbbrückentopologie kann wie die Push-Pull-Topologien gut auf höhere Leistungen skaliert werden und basiert auf der Durchflusswandlertopologie. Auch bei dieser Topologie tritt das Problem des Durchschussstroms auf, wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind. Um dies in den Griff zu bekommen, muss zwischen den Einschaltzeiten der einzelnen Schalter eine Totzeit liegen. Dadurch wird die Einschaltdauer auf etwa 45 % begrenzt. Vorteilhaft ist, dass die Schaltspannungen der Halbbrückentopologie gleich der Eingangsspannung sind, wodurch sie sich viel besser für 250VAC- und PFC-Anwendungen eignet.

Auf der anderen Seite sind die Ausgangsströme viel höher als bei der Push-Pull-Topologie, wodurch sie sich weniger für Hochstromausgänge eignet.

Resonant LLC Converter

Bei der resonanten LLC-Topologie handelt es sich um eine Halbbrückentopologie, die eine Resonanztechnik verwendet, um die Schaltverluste aufgrund von Nullspannungsschaltungen auch im Leerlauf zu reduzieren. Diese Topologie lässt sich gut auf hohe Leistungen skalieren und hat sehr geringe Verluste bei Geräten, die ständig eingeschaltet sind. Diese Topologie eignet sich nicht so gut für Stromversorgungen im Standby-Modus, da der Resonanztankkreis ständig mit Strom versorgt werden muss.

Die LLC-Resonanztank-Topologie hat gegenüber den Push-Pull- und Halbbrückentopologien den Vorteil, dass sie für einen breiten Eingangsspannungsbereich geeignet ist. Der Nachteil der LLC-Resonanztopologie sind ihre Komplexität und Kosten.

Alle Schaltnetzteil-Topologien auf einen Blick

In dieser Tabelle werden die verschiedenen Arten von Schaltnetzteil-Topologien verglichen, einschließlich nicht-isolierter und isolierter Topologien. Um die gesamte Tabelle zu sehen, klicken Sie auf die Miniaturansicht.