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Isolierte DC/DCs mit HALO 'MAXIM'-ieren

HALO: MAXIMale Power für hochisolierte DC/DC-Anwendungen

Die neue TGMR-5xxV6LF Serie der Übertrager von Halo wurde speziell auf den Maxim MAX13256 H-Bridge Transformer Driver abgestimmt. Diese Serie der Reinforced Übertrager ist gemäß UL/EN60950 und DEMKO getestet und bietet eine Isolation von bis zu 5kV. Der breite Eingangsspannungsbereich des MAX13256 von 8-36 Volt bietet einen weiten Einsatzbereich in Anwendungen wie Energiemessung, PLC 24V Isolation und isolierten Feldbusanwendungen im industriellen Umfeld sowie in Anwendungen im Medizinbereich.

Der MAX13256 Vollbrückentreiber liefert eine einfache Möglichkeit, um isolierte Versorgungsspannungen von bis zu 10W zu realisieren. Der Baustein treibt die Primärseite eines Übertragers mit einem Strom von bis zu 300mA bei einem zulässigen Eingangsspannungsbereich von 8 bis 36 V. Über das Wicklungsverhältnis kann die isolierte Ausgangsspannung virtuell auf jeden Wert gesetzt werden.

Einfaches flexibles Design

• 8V bis 36V Eingangsspannung
• Effizienz 90%
• Leistung am Übertrager bis zu 10W
• 5kV Isolation
• Strombegrenzung
• Geringer Platzbedarf
• Industrieller Temperaturbereich

Der MAX13256 integriert einen H-Brücken Treiber und steuert direkt die Primärseite eines Übertragers für isolierte Spannungsversorgungen. Der Baustein beinhaltet einen On-Board Oszillator, einen Schutzschaltkreis und interne MOSFETs die den Übertrager mit bis zu 300mA treiben können. Der Chip kann mit dem internen Oszillator oder auch mit einem externen Takt getrieben werden, um mehrere MAX13256 synchronisieren und auch das EMV Verhalten steuern zu können. Unabhängig von der Taktquelle garantiert ein eingebautes Flip-Flop ein festes Taktverhältnis von 50% und verhindert dadurch, dass ein Gleichspannungsanteil den Übertrager belastet, solange die Taktperiode konstant ist. Der Baustein arbeitet mit einem breiten Eingangsspannungsbereich und die integrierte Schutzschaltung sorgt für eine wirkungsvolle Steuerung der MOSFET Vollbrücke. Ein Widerstand setzt die Strombegrenzung, welches zu einer Begrenzung auf der Primärseite bei Lastströmen auf der Sekundärseite führt. Ein thermischer Abschaltkreis schützt die Schaltung vor extremer Leistung.

Der MAX13256 erlaubt einen flexiblen Einsatz von unterschiedlichen Gleichrichter Schaltkreisen. Das Wicklungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite kann zum Einstellen der isolierten Ausgangsspannung herangezogen werden. Der Baustein bietet die Vorteile einer Vollbrücken-Brücken-Konverter Topologie, welches mehrere isolierte Ausgänge, Step-up/Step-down oder Inverter Ausgänge mit geringen Anforderungen an die Filterung und geringem Ripple auf der Ausgangsspannung ermöglicht.

Der Wahl des Übertragers kommt in einem solchen Design eine wesentliche Bedeutung zu.

Maßgeblich wird die Wahl des Übertragers über die ET Konstante bestimmt. Die ET Konstante zeigt das Verhältnis des erlaubten magnetischen Flusses im Übertragerkern zur Spannung einer Windung und Schaltperiode auf. Der Strom der induktiven Magnetisierung in der Primärwindung ändert sich linear über die Zeit während der Schaltperiode des Bausteins. Halo spezifiziert das Minimum der ET Konstante für die TGMR-5xxV6LF Übertrager Serie. Die ET Konstante des Übertragers muss größer sein als: ET = VDD /(2 x fSW)

Die minimale Schaltfrequenz fSW der ST1/ST2 Ausgänge beträgt 255kHz, wenn der interne Oszillator verwendet wird, oder er liegt bei der Hälfte der Taktfrequenz, wenn eine externe Taktquelle verwendet wird. Mit der TGMR-5xxV6LF Serie von Halo wählen Sie einen Übertrager mit ausreichender ET Konstante in der Primärwicklung, um sicher zu stellen, dass der Übertrager nicht im Betrieb in die Sättigung geht. Eine Sättigung des Übertragers führt unweigerlich zu einer beträchtlichen Reduzierung der Induktivität auf der Primärseite und führt damit unmittelbar zu einem hohen Stromanstieg. Dieses kann dazu führen, dass das Limit der Strombegrenzung des MAX13256 greift, sobald die Last zu gering ist. Als Beispiel läge die erforderliche ET Konstante bei 70,6 Vus in einer Anwendung mit VDD (max.) = 36 V und bei 17,3 Vus in einer Anwendung mit VDD (max.) = 8,8 V, wenn der interne Oszillator verwendet wird, um die H-Brücke zu treiben. Zusätzlich zu der Überlegung der ET Konstante kommt die Anforderung an einen geringen Gleichstromwiderstand des Übertragers. Die Verlustleistung des Übertragers aufgrund von Kupferverlusten wird wie folgt betrachtet:

PD_TX = ILOAD2 x (RPRI /N2 + RSEC)

RPRI entspricht dabei dem DC Windungswiderstand der Primärseite und RSEC dem DC Windungswiderstand der Sekundärseite. In den meisten Fällen ist ein Optimum erreicht, wenn RSEC = RPRI /N2. In diesem Zustand ist die Verlustleistung für die Primär – und Sekundärseite identisch.

Wie bei allen Designs der Versorgungsspannung ist es wichtig die Effizienz zu optimieren. Bei Designs die kleine Übertrager verwenden, besteht die Gefahr, dass die Temperatur wegläuft, welches für die Effizienz der Übertrager ein Problem darstellt. Verluste im Übertrager führen zu einem Anstieg der Temperatur, die den Wirkungsgrad des Übertragers herabsetzt. Damit sichergestellt ist, dass der Übertrager diese Anforderungen über den gesamten Temperaturbereich hält, sollte das Design auf eine Worst-Case Betrachtung ausgelegt sein.

Die wichtigsten Anforderungen an die ET Konstante gehen aus der minimalen Eingangsspannung, der Schaltfrequenz, der maximalen Temperatur und dem Laststrom hervor. Zusätzlich sollten in die Worst-Case Betrachtung die Verluste des Übertragers und des Gleichrichters einfließen. Die Primärseite sollte aus einer einfachen Wicklung bestehen, die Sekundärseite kann allerdings auch eine Mittelanzapfung aufweisen, wenn die entsprechende Gleichrichter Topologie dieses erfordert. In den meisten Anwendungen ist die Phase zwischen Primär – und Sekundärseite nicht wichtig. Halbbrückengleichrichter Architekturen sind mit dem MAX13256 möglich, allerdings ist dieser Ansatz etwas entmutigend. Wenn es zu einem Gleichspannungsanteil aufgrund einer ungleichmäßigen Last kommt, steigt der durchschnittliche magnetische Fluss im Übertrager. Dieses reduziert die effektive ET Konstante und kann zu einer Sättigung im Übertragerkern führen. Die Übertrager für diese Anwendung sind auf einem Kern mit hoher Permeabilität gewickelt. Zur Minimierung der elektromagnetischen Strahlung werden Toroide Kerne verwendet.

Der MAX13256 ist in einem 10-Pin TDFN Gehäuse verfügbar. HALOs TGMR-5xxV6LF Serie kommt in einem 6-Pin Gehäuse. Beide Bausteine sind mit einem Temperaturbereich von -40°C bis +85°C für den industriellen Einsatz geeignet.

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