So entwerfen Sie eine AC/DC-Wandler-Schaltung

Eine AC-DC-Wandler-Schaltung macht genau das, was ihr Name sagt: Sie nimmt einen harmonischen Wechselstromeingang auf und wandelt ihn in einen Gleichstromausgang um. Diese Schaltungen sind einfach hervorragend und können zudem mit geringer Leistung auf einer Steckplatine betrieben werden. Eine echte AC-DC-Wandler-Schaltung umfasst jedoch mehr als nur einen Transformator und eine Gleichrichterschaltung; sie ist weitaus komplexer. In diesem Artikel gehen wir den Entwurf einer AC-DC-Wandler-Schaltung Schritt für Schritt durch am Beispiel von Altium Designer.

Was ist die Funktion eines AC/DC-Wandlers?

Fast jedes Gerät, as an eine Steckdose angeschlossen wird, muss den Wechselstrom aus der Wand in Gleichstrom umwandeln, der von den integrierten Schaltkreisen genutzt werden kann. Diese Umwandlung muss möglichst effizient sein, und genau diese Funktion übernimmt der AC/DC-Wandler. Viele Produkte brauchen eine AC-DC-Wandler-Schaltung – wie etwa ein Leistungsregler, eine PFC-Schaltung oder eine Steuerschaltung.

Die richtige Designstrategie

Um eine AC/DC-Wandler-Schaltung erfolgreich umzusetzen, bedarf es der richtigen Designstrategie. Dazu müssen die verschiedenen Teile eines Systems gekonnt zu einem vollständigen Produkt zusammengefügt werden.

Produktionstaugliche Stromversorgungssysteme erfordern ein sicheres und funktionales Layout. Das Design muss zudem mit Simulationen überprüft werden, um sicherzustellen, dass es auch wie vorgesehen funktioniert. Wenn Sie ein integriertes Designpaket wie Altium Designer verwenden, können Sie Ihre Stromrichterschaltpläne, ein hochwertiges PCB-Layout und Schaltungssimulationen in einem einzigen Programm erstellen.

Aufbau einer AC/DC-Wandler-Schaltung

Eine AC-DC-Wandler-Schaltung basiert auf der Gleichrichtung, bei welcher die Wechselstrom-Eingangsleistung in eine instabile Gleichstrom-Ausgangsleistung (mit einer gewissen Restwelligkeit) umgewandelt wird.

Die grundlegenden Komponenten einer AC-DC-Wandler-Schaltung sind:

• Transformator: Der Transformator erhöht oder senkt die Netzleistung auf einen Wert, der für die Last im System nützlich ist. Das Windungsverhältnis des Transformators bestimmt dabei die Spannung und den Ausgangsstrom, welcher an die Diodenbrücke und den Kondensator weitergeleitet wird.
• Diodenbrückengleichrichter: Diese kleine Schaltung nimmt den absoluten Wert des Wechselstrom-Eingangssignals auf, was ein zeitlich veränderliches Signal mit einer einzigen Polarität ergibt. Die Dioden in der Brückengleichrichterschaltung müssen laut Designanforderung oberhalb ihres Durchlassstroms arbeiten.
• Kondensator: Ein großer Kondensator wird als Filter verwendet, um das gleichgerichtete Wechselstromsignal zu stabilisieren und eine Gleichspannung mit etwas Restwelligkeit zu erzeugen. Ein größerer Kondensator mit einem kleineren effektiven Serienwiderstand ist die ideale Komponente, um eine hohe Ladekapazität und eine schnelle Entladerate zu gewährleisten.

Diese Liste von Komponenten ist das Minimum, welches zum Erstellen einer AC-DC-Wandlerschaltung erforderlich ist. Ein Beispiel ist nachfolgend dargestellt.

Beispiel-Schaltplan

Nachfolgend sehen Sie eine einfache AC-DC-Wandler-Schaltung mit einem Transformator und einem Diodenbrückengleichrichter.

Altium Designer enthält einige Werkzeuge, die Ihnen den Entwurf Ihrer Wandlerschaltung einfacher machen. Dazu gehören integrierte Komponentenbibliotheken, Daten zur PCB-Lieferkette, einen leistungsstarken SPICE-Simulations-Engine, der einfach zu bedienen ist und elektrische Daten direkt aus Ihren Komponentenmodellen übernimmt, und vieles mehr. Da Sie mit Altium Designer mit nur einem einzigen Programm auf alles zugreifen können, erleichtert Ihnen das die Arbeit.

Hier finden Sie weitere Informationen zu den Funktionen von Altium Designer, die für AC-DC-Wandler relevant sind:

• Altium Designer enthält die SPICE-Simulationsfunktionen, die Sie benötigen, um das Design Ihres AC-DC-Wandlers zu überprüfen und eine hocheffiziente Stromumwandlung sicherzustellen.

  Erfahren Sie mehr über SPICE-Simulationen mit Leistungselektronik in Altium Designer.

• Wenn Sie komplexere Schaltungen zur Leistungsumwandlung entwerfen müssen, verwenden Sie den am besten den hierarchischen Schaltplan-Editor, um den Überblick zu behalten.

  Erfahren Sie mehr über das Design hierarchischer Schaltpläne.

• Am Eingang eines AC-DC-Wandlers wird immer ein Transformator verwendet. Auch bei Schaltreglern kommt ein Transformator zum Einsatz, um isolierte Spannungsversorgungen/Netzteile zu erstellen.

  Erfahren Sie mehr über isolierte und nicht-isolierte Spannungsversorgungen/Netzteile.

So sorgen Sie für eine effiziente Leistungsumwandlung

Die gesamte Leistungselektronik sollte so ausgelegt sein, dass eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz gewährleistet ist. Hierzu ist häufig mehr als nur eine Vollwellengleichrichter-Brückenschaltung erforderlich. Es werden zusätzliche Komponenten und Schaltungen benötigt, um eine rauscharme, hocheffiziente Leistungsumwandlung zu gewährleisten; insbesondere bei der Versorgung einer Reglerschaltung.

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ist nur ein Teil der Strategie zur Leistungsregulierung. Das gesamte System muss berücksichtigt werden, um Verluste und Rauschen bei der Leistungsumwandlung zu minimieren.

Die effizienteste Strategie hinsichtlich der Leistungsregulierung ist für die meisten Systeme die Verwendung eines Schaltreglers; insbesondere, wenn eine AC-DC-Wandler-Schaltung so ausgelegt ist, dass sie Netzstrom bezieht. Zu den zusätzlichen Schaltungen, die für die Leistungsumwandlung benötigt werden, gehören:

• Eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung oder PFC-Schaltung, um den Strom zu glätten, der von der Ausgangsspannungsreglerstufe in Ihrem Stromrichter aufgenommen wird. Erfahren Sie mehr über das Design und die Analyse von PFC-Schaltungen.
• Ein EMI-Filter, normalerweise eine Gleichtaktdrossel, um leitungsgebundene EMI auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Systems zu entfernen. Erfahren Sie mehr über das Entwerfen und Simulieren eines EMI-Filters für Ihren Stromrichter.
• Ein PWM-Treiber und eine Rückkopplungsschleife zur Anpassung der Reglerparameter und zur Gewährleistung einer stabilen Ausgangsleistung auf dem gewünschten Niveau.
• Ein Schaltleistungsregler mit Standardtopologie, der einen rauscharmen Ausgangsstrom liefern kann.

Jede dieser zusätzlichen Schaltungen (auch der Bereich der AC-DC-Wandler-Schaltung) müssen in Ihrem PCB-Layout erfasst werden. Jegliches Rauschen, das in Ihrer Reglerschaltung erzeugt oder empfangen wird, kann verstärkt werden und sich zum Ausgang ausbreiten. Stellen Sie sicher, dass dies in Ihrem Stromrichter nicht passiert. Erfahren Sie mehr über die Analyse des Rauschabstands in Ihrem Netzteil.

Anordnung der Komponenten und Routing der Leiterbahnen

Nachdem Sie die Schaltpläne Ihres Stromrichters und Spannungsreglers in einem leeren PCB-Layout erfasst haben, können Sie damit beginnen, die Komponenten anzuordnen und die Leiterbahnen zu routen. Die PCB-Layout-Funktionen in Altium Designer erleichtern diese Aufgaben.

Nachdem Sie Ihre AC-DC-Wandlerschaltung (und andere Leistungsreglerschaltungen) in Ihrem PCB-Layout erstellt haben, ist es an der Zeit, Komponenten zu beschaffen und das Projekt mit einer Reihe von Fertigungsdateien abzuschließen.

Um ein Stromrichterdesign zum Leben zu erwecken, müssen Sie auch die Lieferkette im Blick haben sowie die passenden Komponenten für Ihr Design beschaffen. Wenn Sie Zugriff auf Daten zur Elektroniklieferkette direkt von Komponentenherstellern haben, können Sie sich sicher sein, dass Ihr System pünktlich und im Rahmen des Budgets produziert werden kann. Altium Designer enthält Beschaffungswerkzeuge, die Ihnen dabei helfen, die benötigten Komponenten zu finden und Beschaffungsdaten direkt in Ihre Stückliste zu importieren.

Vorteile von Altium Designer beim Design mit AC/DC-Wandlern

Der große Vorteil von Altium Designer gegenüber anderen PCB-Designplattformen liegt in seiner integrierten Designoberfläche. Diese enthält alles, was Sie für das Design und Layout von Stromversorgungsschaltungen benötigen – und das in einem einzigen Programm.

Altium Designer ist mehr als nur eine Software für Schaltungsdesign und Simulation. Es ist die branchenweit leistungsstärkste PCB-Designanwendung für die gesamte Produktentwicklung. Während andere Designprogramme Sie dazu zwingen, für jede PCB-Designaufgabe separate Anwendungen zu verwenden, hilft Ihnen Altium Designer, beim Design modernster Technologie produktiv zu bleiben und Elektronik von höchster Qualität zu entwerfen.

• Altium Designer ist das einzige regelbasierte Design, mit dem Sie Ihre Stromrichterschaltungen und Ihr PCB-Layout schnell innerhalb einer einzigen Anwendung entwerfen können.

  Erfahren Sie mehr über die integrierte Designumgebung in Altium Designer.

• Eine AC-DC-Wandlerschaltung stellt dabei nur einen Teil des Stromversorgungssystems dar. Die Schaltungsdesign- und Simulationsfunktionen in Altium Designer unterstützen Sie aber beim Design hinsichtlich jeden Bereiches der Leistungselektronik.

  Sehen Sie sich ein Beispielprojekt für einen Spannungsregler in Altium Designer an.

• Altium 365 bietet Ihnen zudem die Möglichkeit, Projekte mit (Remote-)Teammitgliedern, Kunden oder Herstellern mittels Altium Designer oder im Web zu teilen und so effektiv zusammen zu arbeiten.

  Erfahren Sie mehr über die Freigabe Ihrer PCB-Projektdaten mit Hilfe von Altium 365.

Altium Designer auf Altium 365 bietet einen noch nie dagewesenen Umfang an Integration in der Elektronikindustrie, was bis dahin der Softwareentwicklungsbranche vorbehalten war. Designer können jetzt von zu Hause aus arbeiten und ein beispielloses Maß an Effizienz erreichen.

Wir haben nur ganz oberflächlich behandelt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Wenn Sie mehr erfahren möchten, können Sie die Produktseite besuchen, wo Sie Zugang zu detaillierterem Beschreibungen der Funktionen und On-Demand Webinaren haben.