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 Rohstoffgehalt an Kupfer und Eisen im Lineartransformator die SMPS-Technologie kostengünstiger gemacht hat - trotz der Nachteile, dass sie komplexer sind und mehr Sorgfalt bei der EMI-Kontrolle erfordern, überwiegen die Vorteile von Schaltnetzteilen bei allen Anwendungen außer einigen wenigen Nischenanwendungen bei weitem.
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. Gleichstromwandler 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. Wenn ein isolierter Aufbau 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 lineare Netzteiltransformator. 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.
Bei der Entwicklung von Stromversorgungen werden in der Regel Schaltnetzteile gegenüber linearen Stromversorgungen bevorzugt. Bei der Entscheidung, welche SMPS-Topologie verwendet werden soll, kann die Entscheidung oft schwieriger sein. Die Wahl der falschen Topologie kann zu einem Designprojekt führen, das nicht Ihren Kostenzielen, Effizienzzielen oder einer Vielzahl anderer Anforderungen entspricht, die Sie möglicherweise haben.
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 Gleichspannungswandler, der zur Spannungsreduzierung eingesetzt wird. 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 angegangen werden. Die Abwärtswandlertopologie erfordert nur eine einzige Induktivität für einphasige Anwendungen, 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 Abwärtswandler im Application Guide
Die Boost-Topologie ist, wie die Buck-Topologie, nicht isolierend. Im Gegensatz zur Abwärts-Topologie erhöht die Aufwärts-Topologie die Spannung, anstatt sie zu verringern. Da die Boost-Topologie im Dauerleitungsmodus kontinuierlich und gleichmäßig Strom zieht, ist sie die ideale Wahl für Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur. Wie bei der Abwärts-Topologie gibt es viele Katalogoptionen für die in Boost-Schaltungen verwendete Induktivität, und bei besonderen Anforderungen sind auch kundenspezifische Induktivitäten erhältlich.
Die Abwärts/Aufwärtswandler-Topologie kann die Spannung entweder erhöhen oder verringern. Diese Topologie ist besonders nützlich für batteriebetriebene 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 nicht geerdet ist, 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 ohne weiteres verfügbar.
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 insofern, als sie die Eingangsspannung verstärken oder absenken können, was sie ideal für Batterieanwendungen macht. Der SEPIC hat gegenüber dem Ćuk und dem Buck-Boost 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.
Bei der Sperrwandlertopologie handelt es sich im Wesentlichen um die Buck-Boost-Topologie, die durch die Verwendung eines Transformators als Speicherinduktor 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 Flyback-Topologie 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.
Der Durchflusswandler ist eigentlich nur ein transformatorisolierter Abwärtswandler. Wie die Sperrwandlertopologie ist der Durchflusswandler am besten für Anwendungen mit geringerer Leistung geeignet. 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.
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Der Unterschied zwischen Sperrwandler und Durchflusswandler liegt in der induktiven Energiespeicherung: Beim Sperrwandler ist der Energiespeicher der Transformator selbst, weshalb ein Transformator mit Luftspalt benötigt wird; beim Durchflusswandler wird ein Transformator ohne Luftspalt verwendet, weshalb eine zusätzliche Speicherdrossel erforderlich ist. Der Durchflusswandler ist daher etwas aufwändiger in der Konstruktion, erreicht aber auch einen höheren Wirkungsgrad.
Die Push-Pull-Topologie ist im Wesentlichen ein Durchflusswandler mit zwei Primärwicklungen, die zur Erzeugung einer doppelten Antriebswicklung verwendet werden. Auf der anderen Seite wird jeweils nur die Hälfte des Kupfers verwendet, wodurch sich die Kupferverluste bei einem ähnlich großen Transformator erheblich erhöhen. 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. Der andere Nachteil der Push-Pull-Topologie ist, dass die Schalterspannungen sehr hoch sind (2∙VIN), was die Topologie für 250VAC- und PFC-Anwendungen unerwünscht macht.
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Die Halbbrückentopologie lässt sich wie Push-Pull-Topologien gut auf höhere Leistungen skalieren und basiert auf der Durchflusswandlertopologie. Auch bei dieser Topologie besteht das Problem des Durchschussstroms, 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.
Die resonante LLC-Topologie ist eine Halbbrückentopologie, die eine Resonanztechnik verwendet, um die Schaltverluste aufgrund von Nullspannungsschaltungen zu reduzieren, selbst im Leerlauf. 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-Betrieb, da der Resonanztankkreis ständig mit Strom versorgt werden muss, und hat gegenüber Push-Pull- und Halbbrückentopologien den Vorteil, dass sie für einen breiten Eingangsspannungsbereich geeignet ist. Der Nachteil der LLC-Resonanztopologie sind ihre Komplexität und Kosten.
Vergleichen Sie hier die Arten von Schaltnetzteil-Topologien, einschließlich nicht-isolierter und isolierter Topologien.
