DC/DC-converters met meerdere uitgangen

Buck-regelaar met 1:1 gekoppelde spoelen

In de week van 15 tot en met 19 juni wordt het Power electronics event online georganiseerd. Eén van de lezingen zal gaan over het op een simpele manier maken van een schakelende voeding met twee uitgangsspanningen zonder extra besturings-IC’s. Hiervoor wordt de standaardinductor van de buck-regelaar vervangen door een inductor met twee wikkelingen. Deze vormt zo een transformator die de tweede spanning levert. Hoe dat in zijn werk gaat, laten we u hier al zien.

Veel applicaties vragen meerdere voedingsspanningen. Voor een tweede spanning kan natuurlijk een aparte DC/DC-converter ingezet worden, maar het kan ook gemakkelijker. Wanneer we namelijk de inductor in een buck-converter vervangen door een exemplaar met twee wikkelingen, dan kan hiermee een galvanisch gescheiden tweede spanning verkregen worden.
Afbeelding 1 toont een dergelijke constructie. De dubbele inductor werkt hier als transformator die voor overdracht van energie naar het gekoppelde circuit zorgt. Wanneer de wikkelverhouding 1:1 is, zal de spanning Vo2 ongeveer gelijk zijn aan de spanning Vo1. In afbeelding 1A is te zien dat de plus van Vo1 verbonden is met de min van Vo2. Ten opzichte van massa ontstaat er zo een voeding die bijvoorbeeld 5 V en 10 V levert. Voor applicaties met zowel analoge en digitale circuits kan dit handig zijn. Zonder deze koppeling (afbeelding 1B) hebben we twee aparte spanningen en kunnen we bijvoorbeeld een voeding maken met een positieve en een negatieve spanning ten opzichte van massa.

Iets minder simpel
Uitgaande van de schakelingen in afbeelding 1, zou u kunnen denken dat het op deze manier maken van een tweede spanning heel simpel is, maar de werkelijkheid is net even iets anders. Bedenk dat het gebruik van een gekoppelde inductor kan helpen om een tweede uitgangsspanning af te leiden zonder de kosten van een andere complete schakelende voeding, maar dat de tolerantie van de secundaire uitgangsspanning en de DCM-drempel in de primaire wikkeling moeilijk zijn te voorspellen. Succesvolle 1:1 gekoppelde buck-converters moeten dan ook grondig worden getest. Ook niet vergeten mag worden dat de regelaar in de buck-converter uitsluitend de uitgangsspanning Vo1 regelt zonder rekening te houden met dat wat er met de spanning Vo2 gebeurt. In de meeste gevallen is de tolerantie van de secundaire uitgangsspanning te groot. Het is dan ook aanbevolen om een lineaire regelaar te gebruiken om de tweede spanning te stabiliseren. Dit levert dan wel een lagere tweede uitgangsspanning op dan de eerste en ook gaat dit ten koste van het totale rendement. In veel gevallen weegt dat ruimschoots op tegen de voordelen. Zeker wanneer de tweede uitgangsspanning beduidend minder zwaar belast wordt dan de eerste uitgang.

Afbeelding 2. De stroom door de trafo in relatie tot het schakelen van de regelaar.

Waar zeer zeker rekening mee gehouden dient te worden is de totale stroom die beide uitgangen moeten leveren. Deze stroom moet immers door het schakelelement van de voeding geleverd worden. Beide uitgangsstromen samen moet ruim beneden de limiet blijven.
Afbeelding 2 laat zien wat voor stromen er in de transformator gaan lopen. De gele lijn is de geschakelde spanning, de paarse lijn de primaire stroom en de groene de secundaire stroom. In dit voorbeeld is de belastingsstroom van uitgang Vo1 constant. Is dit niet het geval, dan is de primaire stroom ook niet constant, wat natuurlijk van invloed is op de secundaire stroom.

Spoelen met dubbele windingen
Würth heeft voor dit soort toepassingen een groot aantal verschillende spoelen met een dubbele winding. Hierbij kunt u kiezen uit verschillende impedanties en maximale stromen. Afbeelding 3 laat een voorbeeld zien van een dergelijke spoel met dubbele winding. Dit is een spoel waarbij de primaire en secundaire winding tegelijkertijd gelegd zijn. Hierdoor is de wikkelverhouding 1:1. Andere wikkelverhoudingen zijn echter ook mogelijk. Het draad dat voor de spoelen gebruikt wordt, heeft meerdere lagen isolatiemateriaal. Hiermee bereikt men dat de overslagspanning veel hoger is dan bij normaal draad met een enkele isolatielaag.

Een voorbeeld
Afbeelding 4 toont een voorbeeld van een complete DC/DC-converter met een buck-regelaar. De toegepaste TPS54160 is een complete step-down-converter waarin alle benodigde elektronica is geïntegreerd. De in het IC toegepaste schakel-FET kan stromen tot 1,5 A schakelen. De in het schema genoemde stromen voor uitgang 1 en 2 samen liggen samen ruim binnen deze grens wat maakt dat voor deze voeding geen externe schakel-FET’s nodig zijn.

Eigen ontwerp
Op basis van de hier besproken methode kunt u natuurlijk zelf een eigen voeding ontwerpen. Eenvoudig is dit echter niet. Gelukkig heeft Würth een whitepaper uitgebracht waarin de werking van dit type voeding uitgebreid aan de orde komt. In het document wordt ook een groot aantal formules genoemd voor het berekenen van de diverse componenten. Aan de hand van alle informatie die hier genoemd wordt, bent u zelf in staat om met deze techniek een schakelende voeding te maken die twee uitgangsspanningen kan leveren.
Tijdens het komende Power electronics event online zal Alex Snijder, Field Application Engineer bij Würth dit type voeding ook behandelen.

Mocht u naar aanleiding van dit verhaal zelf een dergelijke voeding willen ontwerpen, dan is zijn lezing de moeite waard om te gaan volgen. Voor meer informatie hierover, zie het kader hieronder over dit evenement.

Voor de in het artikel genoemde whitepaper klik hier.

Voor meer informatie over deze techniek, www.we-online.com .

Power Electronics event online
Een unieke editie
Aangezien een fysiek event op dit moment niet mogelijk is, heeft FHI gezocht naar een mogelijkheid om het jaarlijks terug kerende Power Electronics event toch door te laten gaan. Als oplossing is een online-versie uit de bus gerold, want Power Electronics heeft een grote bezoekersgroep die ze graag betrokken wil houden en wil blijven informeren over de onderwerpen die voor hen van belang zijn.
In plaats van het geplande evenement in Den Bosch komt er dus nu een digitaal evenement waarbij u gewoon thuis of op kantoor kunt blijven. Via live streams wordt u verbonden met de sprekers die u net als bij het fysieke evenement bij gaan praten over een groot aantal verschillende onderwerpen aangaande vermogenselektronica.
In plaats van alle seminars op één dag de revue te laten passeren, wordt nu bijna de hele week rond 18 juni, de originele geplande datum van het fysieke event, gebruikt om het evenement te streamen. Het wordt dus geen hele dag achter de computer zitten, maar verdeeld over drie of vier dagen kijken naar de webinar-sessies die er georganiseerd worden. Afhankelijk van het aantal exposanten dat mee wil doen aan de digitale versie, wordt het programma verdeeld over de dinsdag tot en met de donderdag met een eventuele uitloop naar vrijdag. Er wordt geprobeerd om aan het einde van elke dag een plenaire lezing te plannen. Op het moment dat we dit schrijven, is echter nog niet exact bekend of dat gaat lukken en welke dat gaan worden. Voor het exacte programma verwijzen we u dan ook naar de website van het evenement voor het laatste nieuws.
Wat in ieder geval wel al duidelijk is, is dat het deelnemen gratis is. U kunt zich vooraf via de site van het evenement aanmelden en u inschrijven voor de lezingen van uw voorkeur. Hou dus de periode van 16 tot en met 19 juni vrij voor het Power Electronics event online.