Wie man seinen AC/DC-Wandler hackt - Teil 2

Nehmen wir an, Sie haben eine Stromüberwachungsanwendung in einer Ladeanwendung für Elektrofahrzeuge (EV), in der die Hilfsstromversorgung mehrere Eingangsoptionen haben muss: Dreiphasen- oder Einphasen-Wechselstrom oder Hochspannungs-Gleichstrom oder Niederspannungs-Gleichstrom. Außerdem muss die Ladeanwendung in der Lage sein, bipolare (±10 V) Ausgangsspannungen zu erzeugen, um die kalibrierten Strom- und Spannungssensoren und -verstärker zu versorgen (Abbildung 1).


Sie prüfen die Datenblätter des Herstellers und stellen fest, dass es ein Netzteil mit all diesen speziellen Eingangs- und Ausgangsspannungskombinationen nicht als Standardprodukt gibt. Was können Sie tun? Sie müssen anfangen, Ihr AC/DC-Netzteil zu hacken!

AC/DC-Wandler mit geringer Leistung bieten normalerweise keine einstellbaren Ausgangsspannungen. Der Grund dafür ist einfach: Im Gegensatz zu einem 24-5V isolierten DC/DC-Wandler, der einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von 5:1 haben könnte, benötigt ein entsprechender AC/DC-Wandler mit 230VAC RMS-Eingang zu 5V Ausgang einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von 65:1. Der Grund dafür ist, dass die gleichgerichtete Wechselspannung wesentlich höher ist als die Ausgangsspannung. Der Regelkreis in einem AC/DC-Wandler ist so optimiert, dass er einen breiten Bereich von Eingangsspannungen (typischerweise 85-264VAC) und eine feste Ausgangsspannung kompensieren kann. Wäre die Ausgangsspannung ebenfalls einstellbar, könnte die ungünstigste Kombination aus Eingangs- und Ausgangsspannung in Verbindung mit dem hohen Windungsverhältnis leicht zu einem instabilen Betrieb des Wandlers führen.

Alle diese Regelungsmethoden bieten die gleichen Ausgangsspannungen bei symmetrischen Lasten. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen ihnen, wenn unsymmetrische Lasten verwendet werden. Der Vorteil der Regelung der kombinierten Ausgangsspannung besteht darin, dass die Summe aus negativer und positiver Schiene konstant bleibt, während die Regelung nur des positiven oder nur des negativen Ausgangs weniger Schwankungen auf dieser speziellen Schiene bietet. Eine Universallösung gibt es nicht.

Wenn jedoch Schaltregler zur Nachregelung der Ausgänge verwendet werden, wie in Abbildung 4 gezeigt, bleiben beide Ausgangsspannungen über alle Lastkombinationen hinweg stabil, sogar bis hin zu Leerlauf/Volllastbedingungen.

Die Verwendung von Schaltreglern an den Ausgängen hat einen weiteren Vorteil: Sie liefern auch eine konstante Leistung. Je niedriger die Ausgangsspannung, desto höher der Ausgangsstrom. Wenn im Beispiel von Abbildung 4 die geregelten Ausgänge auf ±3,3 V eingestellt würden, könnte der maximale Ausgangsstrom pro Schiene bis zu 1,5 A betragen, solange die Gesamtlast weniger als 5 W beträgt. Dies ist wesentlich höher als der nominale Ausgangsstrom des AC/DC von 416mA. Dies ist sinnvoll, da die meisten Mehrschienenanwendungen auf einer Schiene deutlich mehr Strom benötigen als auf den anderen (Hauptlast + Hilfslasten), was jedoch bei der Verwendung von Schaltreglern kein Problem darstellt. In Abb. 4 wären beispielsweise +12V @ 0,1A, +3,3V @ 1A und -3,3V @ -0,15A möglich, wenn alle Ausgangsspannungen streng geregelt würden.

Bisher haben wir uns nur mit dem Hacken des Ausgangs eines AC/DC-Moduls beschäftigt, aber was wäre, wenn wir alternative Stromquellen nutzen wollten? Hier geht es um Hack Nr. 3.

Bei einigen spezifischen Anwendungen im Feld ist es notwendig, entweder eine Wechselstrom- oder eine Gleichstrombatterieversorgung zu verwenden, je nachdem, welche verfügbar ist. Wie in Abbildung 7 zu sehen ist, würde bei Anschluss einer externen Gleichstromversorgung an den Ausgang eines abgeschalteten AC/DC-Wandlers die Ausgangsdiode D den out Rückfluss des externen Stroms durch die Ausgangswicklung des Transformators verhindern. Der Shunt-Regler, IC1, wäre jedoch immer noch in Betrieb. Wenn die externe Spannung den Sollwert des Shunt-Reglers übersteigt, würde dieser leiten und den Strom durch die Optokoppler-LED leiten.

Da der AC/DC-Wandler inaktiv ist, gibt es keinen Mechanismus, der diesen Optokopplerstrom kontrollieren würde. Aus diesem Grund könnte die Opto-LED leicht durchbrennen. Daher ist es nicht ratsam, eine externe Spannung direkt an den Ausgang eines AC/DC-Wandlers anzulegen. Die Verwendung von zwei OR-Dioden könnte in Erwägung gezogen werden, um die jeweils höhere Versorgungsspannung an die Anwendung weiterzuleiten, ohne dass sich die beiden Versorgungen gegenseitig beeinflussen (Abbildung 8).

Dieser Hack ist zwar einfach, hat aber zwei große Nachteile. Erstens ist die Ausgangsspannung immer einen Diodenabfall niedriger als die Versorgungsspannung. Zweitens wird bei höheren Stromlasten die Verlustleistung in den Dioden beträchtlich (in dem in Abbildung 8 gezeigten Beispiel 3,5 W). Dies bedeutet, dass große, teure Leistungsdioden mit möglicherweise zusätzlichen Kühlkörpern erforderlich sind. Außerdem würde die in der Diode D2 verschwendete Leistung die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.

Ein besserer Hack wäre die Verwendung eines ICs mit idealen Dioden, z. B. des LM71300 von Texas Instruments, der über integrierte FETs verfügt und eine sehr kompakte Lösung darstellt (Abbildung 9).

Diese Lösung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Batterie durch die UVLO-Funktion (Under Voltage Lockout) vor einer schädlichen Tiefentladung und die Anwendung durch die dVdt-Steuerung vor der hohen Stoßstromfähigkeit der Batterie geschützt ist. Außerdem kann der Laststrom aus beiden Quellen über die Imon-Ausgänge überwacht werden.

Bis jetzt haben sich alle Hacks mit der Ausgangsseite befasst. Das ist vernünftig, wenn man bedenkt, dass das Wechselstromnetz eine gefährliche Spannung ist und mit dem größten Respekt behandelt werden sollte. Um jedoch auf die in der Einleitung erwähnte Spezifikation unseres EV-Ladegeräts zurückzukommen, kann es vermutlich mit einphasigen, mehrphasigen oder Hochspannungs-Gleichstromversorgungen funktionieren. Der folgende Hack bezieht sich daher auf die Eingangsseite.

Die in Abbildung 10 gezeigte halbwellengleichgerichtete dreiphasige Eingangsschaltung hat eine gleichgerichtete Gleichspannung von ca. 1,17 x Vphase, d.h. ca. 270 V bei einer einphasigen Nennspannung von 230V. Dies ist extrem hoch für einen Standard-AC/DC-Wandler mit 230V±10% Eingangsspannung, aber akzeptabel für einen AC/DC-Wandler, der für den Betrieb mit bis zu 277VAC (die Phase-Phase-Spannung für 115VAC-Netze) ausgelegt ist. Die in Abbildung 10 dargestellte Schaltung verwendet Eingangssicherungen, um die dreiphasige Versorgung zu schützen, falls eine der Dioden ausfällt, und den Metalloxidvaristor (MOV), um übermäßige Spannungsspitzen zu absorbieren, die den Wandler beschädigen könnten. Der MOV ist optional, da der Wandler selbst intern abgesichert ist, er kann jedoch gemäß den örtlichen Verdrahtungsvorschriften erforderlich sein. Die Eingangsdioden müssen für eine geeignete Sperrspannung ausgelegt sein.

Da AC/DC-Wandler isoliert sind, ist der Niederspannungs-Gleichstromausgang potentialfrei (galvanisch getrennt) von der Netzversorgung und kann entweder als positive oder negative Versorgung verwendet werden. Eine übliche Bus-Versorgungsspannung für die Kommunikation ist beispielsweise -48VDC und kann von jedem AC/DC mit 48V- oder ±24V-Ausgang geliefert werden, indem der +Vout-Pin mit 0V verbunden wird und der -Vout-Pin für die Versorgungsschiene verwendet wird.

Bei einigen Anwendungen ist es entweder vorteilhaft oder unvermeidlich, einen der Ausgangspins zu erden. Auf den ersten Blick scheint dies eine einfache Sache zu sein, ähnlich wie bei der erwähnten Anwendung eines Kommunikationsnetzteils. Bei den Vorschriften für AC/DC-Netzteile geht es jedoch nicht nur um Sicherheit, sondern auch um EMV-Überlegungen. Alle zirkulierenden oder induzierten Ströme, die durch die Isolationskapazitäten fließen, können Störungen verursachen, die dazu führen können, dass die endgültige Anwendung die EMV-Prüfung nicht besteht. Auch die Erdung des Ausgangs führt fast garantiert zu einer solchen unbeabsichtigten Stromschleife. Bei einem Gerät der Klasse B kann beispielsweise schon ein Schleifenstrom von einigen zehn Mikroampere die Prüfergebnisse über die Grenzwerte hinausschieben.