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DESIGN&ELEKTRONIK 07 2020 27 hier eine zeitlich selbstgesteuerte resonante DC-DC-Wandlertopologie Bild 1 mit stromlosem Schalten Zero Current Switching ZCS und spannungsfreiem Schalten Zero Voltage Switching ZVS Der Wirkungsgrad dieser Topologie ist für Anwendungen optimiert die weniger als 500 mW erfordern Er besteht aus einer vollständig integrierten Leistungsstufe mit zwei Hochspannungstransistoren HV1 HV2 Nennspannung Vin + Vout drei Hochspannungsdioden D1HV D2HV D3HV Nennspannung Vin + Vout und zwei Niederspannungstransistoren LV1 LV2 Nennspannung Vout Aufgrund des zeitlich selbstgesteuerten resonanten Betriebs der mit einem auf dem Chip integrierten Hochspannungskondensator Cres realisiert wird ist nur eine kleine externe Induktivität Lres erforderlich Dieser resonante invertierende Abwärtswandler Bild 1 arbeitet in zwei Phasen Bild 2 Zu Beginn jeder Phase werden alle Leistungsschalter abgeschaltet Während Phase 1 initialisiert durch Einschalten von LV1 bleiben HV2 und LV2 ausgeschaltet Um LV1 spannungslos einzuschalten wird HV1 erst kurze Zeit nach LV1 eingeschaltet Dies führt zu dem Ersatzschaltbild das in der linken Hälfte von Bild 2 gezeigt wird Nach dem stromlosen Einschalten von HV1 steigt die Spannung über der externen Spule VLres zunächst bis auf Vin an wodurch der Spulenstrom I Lres aufgrund des Resonanzverhaltens sinusförmig ansteigt Infolgedessen steigt auch die Spannung am Kondensator VCres anfangs Vout an Während dieser Zeit verhindert D2HV einen Stromfluss durch LV2 zur Masse Sobald VCres eine Spannung in Höhe von Vin Vout erreicht ist VLres auf Vout abgesunken Der Spulenstrom ILres kommutiert dann auf D3HV sowie auf den Ausgangskondensator Cout und überträgt die in Lres gespeicherte Energie an Cout Während dieser Freilaufphase ist LV2 erforderlich um zu verhindern dass ILres auf D1HV und D2HV kommutiert HV1 und LV1 schalten jeweils im stromlosen Zustand in der Zeitspanne zwischen der Kommutierung von ILres nach Cout und vor Beginn der zweiten Phase ab Bild 2 Durch dieses große Ausschaltzeitfenster und die zeitverzögerte Einschaltsequenz zwischen LV1 und HV1 vereinfacht sich die Ansteuerung der Schalter im Vergleich zu anderen Topologien erheblich In Phase 2 bleiben HV1 und LV1 ausgeschaltet und LV2 wird eingeschaltet bevor HV2 aktiviert wird Ersatzschaltung in Bild 2 rechts In dieser Phase wird zunächst die in Cres gespeicherte Energie zur Induktivität Lres übertragen und später dann von der Induktivität zu Cout ähnlich wie in Phase 1 Der Vorteil dieser Topologie besteht darin dass die in Cres gespeicherte Energie erhalten bleibt und zur Ausgangsleistung beiträgt Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad um bis zu einem Faktor von zwei Der Kondensator Cres bewirkt dass sich das Tastverhältnis selbstständig einstellt und die pro Zyklus auf den Ausgang übertragene Energie automatisch begrenzt wird Die übertragene Energie proportio-Bootstrap Level Shifter Bootstrap Level Shifter Bootstrap Level Shifter Bootstrap Level Shifter Vin 100 325V Control strap on o Reset HV1 Reset HV2 Reset LV2 Reset LV1 Highvoltage capacitive level shifter Regulated bootstrap HV2 HV1 Cres LV2 LV1 D2HV D1HV D3HV Vout=3 3 10V On-Chip Cout Lres Resonant capacitor for selftimed operation Gate driver Vout 1mW 500mW µ-Power & Energy Harvesting Discrete Power Modules This Work Closing the Power Supply Gap for IoT Smart Home Boot-Set Set Set Set VS HV1 VS HV2 VS LV2 VS LV1 Bild 1 Vorgestellte resonante Hochspannungstopologie HV2 D3HV Cout Lres Phase 1 Phase 2 Cres VCres VGS HV2 VLres ICres ILres ID3 Vout D3HV Cout Lres Cres VCres HV1 VGS HV1 VLres ILres Vin ID3 Vout ICres t VGS LV1 Turno ZCS time range of HV1 and LV1 V V Iton HV1 min ton HV1 max VGS HV1 VGS LV2 VGS HV2 Turno ZCS time range of HV2 and LV2 ton HV2 min ton HV2 max t Vout t Vin VLres VCres VCres VLres ICres ILres ID3 ILres ICres Selftimed duty cycle One period T ID3 Qout 2 per period T T 2 Qout 2 per period T Turnon ZVS of LV2 Turnon ZCS of HV2 due to slowrising current on ZVS ZCS Phase 1 Phase 2 o ZCS ZCS on ZVS ZCS o ZCS ZCS LV1 HV1 LV2 HV2 x x x x x x x x x=remains o Bild 2 Das zweiphasige Arbeitsprinzip des Wandlers mit stromlosem Schalten Zero Current Switching ZCS und spannungsfreiem Schalten Zero Voltage Switching ZVS und selbstgesteuertem Tastverhältnis www designelektronik de