DC-DC-Wandler sind auf fast jeder modernen Leiterplatte zu finden. Daher sind Vorher-Nachher-Messungen an diskret aufgebauten Wandlern eine gute Möglichkeit, Störquellen auf den Grund zu gehen. Für eine EMV-gerechte Auslegung muss man jedoch wissen, warum und wo Funkstörungen auftreten.

Schaltregler weisen oft ein breitbandiges Störspektrum zwischen 30 MHz und 400 MHz auf, das unter anderem durch die steilen Schaltflanken der MOSFETs verursacht wird. Ihre Ausgangskapazität CDS und ihre Sperrschichtkapazität sowie die Sperrverzögerungskapazität (Reverse Recovery) der gleichrichtenden Schottky-Diode bilden zusammen mit der Streuinduktivität der Leiterbahnen hochfrequente LC-Schwingkreise, die durch das Schalten zu Schwingungen angeregt werden Fahrräder.

Sind einzelne Erdleiter nicht niederohmig oder führen einzelne Leiterbahnen zwei Ströme unterschiedlicher Herkunft und koppeln somit über die gemeinsame Impedanz, ist bei der Auslegung mit Gleichtaktrauschen zu rechnen. Diese Störungen koppeln dann kapazitiv in Richtung der Störquelle ein, um den Störkreis mit hoher Frequenz zu schließen.

Wird die Störspannung gemessen, kann die Schaltfrequenz des Reglers und deren Oberwellen meist bis 10 MHz beobachtet werden. Diese treten je nach Schirmung und Kabellänge als Mischung aus Gleich- und Gegentaktstörungen auf. Die Ursache des Gegentaktrauschens ist der diskontinuierliche Stromfluss im MOSFET, der dann einen Spannungsabfall am ESR (Equivalent Series Resistance) der Eingangs- oder Ausgangskondensatoren verursacht.

Weiterhin ist zu beachten, dass sich die Schaltreglertopologien darin unterscheiden, ob sie primär am Eingang oder am Ausgang Störungen verursachen. Beim Hochsetzsteller ist der Ausgang kritischer, da die Speicherdrossel als Bremse für den Stromanstieg (di/dt) zwischen Schalt-MOSFET und Eingang wirkt (Abb. 1 oben). Kritischer ist dagegen der Abwärtswandler am Eingang, da bei dieser Topologie die Speicherdrossel zwischen MOSFET und Ausgang platziert wird (Abbildung 1 unten). Somit ist leicht zu erkennen, dass ein Tiefsetzsteller in erster Linie einen Eingangsfilter benötigt, während ein Hochsetzsteller in erster Linie einen Ausgangsfilter benötigt, um den unstetigen Stromfluss zu dämpfen.

Bei modernen Schaltwandlern sind Schaltfrequenzen von 250 kHz bis 4 MHz üblich. LC-Tiefpassfilter (Abb. 2) eignen sich, um die Störungen der Schaltfrequenz und deren Oberwellen in den Griff zu bekommen. In der Praxis sollte die Grenzfrequenz des Filters auf ein Zehntel der Schaltfrequenz des Reglers eingestellt werden, um dessen Störamplitude um ca. 40 dB zu dämpfen.

Auswahlkriterien für die Filterinduktivitäten sind die maximale Strombelastbarkeit und die Eigenresonanzfrequenz (SRF), die deutlich über dem zu filternden Spektrum liegen sollte. In der Praxis werden meist Induktivitätswerte zwischen 1 µH und 22 µH verwendet, da diese Bauteile bereits im relevanten Frequenzbereich für Gegentaktstörer eine ausreichend hohe Impedanz aufweisen.

Eine geeignete Maßnahme, um die Impedanz des Eingangsfilters im Frequenzbereich über 10 MHz zu erhöhen, ist das Hinzufügen eines SMT-Ferrits zum LC-Filter. Die Abhängigkeit der Impedanz vom Gleichstrom muss berücksichtigt werden. Als Filterkondensatoren werden kleine SMT-Elektrolytkondensatoren mit Werten von 10 µF bis 100 µF empfohlen. Ziel bei der Auslegung sollte es sein, die Filterinduktivität möglichst klein zu halten und die Filterkapazität zu erhöhen. Diese Maßnahme wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad aus, während die Gefahr der Instabilität durch die negative Eingangsimpedanz reduziert wird.

Werden als Filterkondensatoren am Eingang keramische Vielschichtkondensatoren (MLCCs) mit Keramik der Klasse 2 (zB X5R / X7R) verwendet, so weicht die berechnete Eckfrequenz des Filters im Betrieb deutlich stärker ab bzw. die Restwelligkeit der Spannung steigt um mehr als die reine Toleranzangabe der Bauteile suggeriert. Denn die Kapazität von MLCCs mit Klasse-2-Keramik schwankt stark mit Spannung (DC-Bias), Alterung, Frequenz und Temperatur. Daher sollten im Filterdesign für Schaltregler vorzugsweise Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Positiv wirkt sich auch ihr relativ hoher ESR aus, der den entstehenden LC-Schwingkreis besser dämpft als ein Kondensator mit niedrigem ESR.

Bei Verwendung von MLCCs als Eingangskondensatoren in Kombination mit einer Filterinduktivität oder einer parasitären Leitungsinduktivität kann der Eingang von Schaltreglern bei Spannungstransienten (zB sprunghafter Abfall der Eingangsspannung) zu schwingen beginnen. Diese Schwingungen werden durch die sogenannte negative Eingangsimpedanz (Abb. 3) in Kombination mit dem resultierenden LC-Schwingkreis verursacht. Die Filterinduktivität und der MLCC am Eingang bilden einen Schwingkreis mit starker Resonanzerhöhung. Der LC-Schwingkreis wird mit Restenergie gespeist, die der Wandler während des Transienten nicht aufnimmt.

Dieser unerwünschte Effekt kann durch eine passive Dämpfung des LC-Schwingkreises vermieden werden. Dies kann erreicht werden, indem ein Widerstand in Reihe mit einem Kondensator verwendet wird, der die Gleichspannung blockiert (Rdamp und Cdamp in Abbildung 4). Bei der Auslegung sollte eine Schwingkreisgüte Q von 1 oder ein Dämpfungsfaktor ζ (Zeta) von 0,707 angestrebt werden. Je kleiner die Induktivität L und je größer die Kapazität C ist, desto geringer ist die Gefahr, dass eine negative Eingangsimpedanz entsteht, da diese ihre Größe reduziert. Die Stabilitätskriterien in Bezug auf die Impedanzen sind auch in Abbildung 4 dargestellt.

Die Kapazität des Dämpfungskondensators sollte etwa viermal größer sein als die des Eingangskondensators. Bei der Resonanzfrequenz muss der Dämpfungskondensator eine niedrigere Impedanz aufweisen als der Dämpfungswiderstand, damit er die überschüssige Resonanz des Filters effektiv dämpfen kann. Ein Dämpfungsfaktor ζ von 0,707 ist ausreichend. Dieser Wert lässt sich mit folgender Gleichung berechnen, wobei n der Quotient des Dämpfungskondensators zum Eingangskondensator (Cdamp / Cinput) ist:

Für den Widerstand Rdamp sind je nach Güte Werte zwischen 0,1 Ω und 4,7 Ω üblich.

Ausgangsfilter sind geeignet, die Restwelligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren. Liegt dieser innerhalb des Regelkreises, müssen sich Entwickler vorab über die relevanten Eckfrequenzen des Filters Gedanken machen. Auch das Ausgangsfilter muss auf jeden Fall gedämpft werden, um die Stabilität des Regelkreises nicht zu gefährden (Abb. 5).

Außerdem muss das Kompensationsnetzwerk des Reglers neu berechnet werden, da der Filter einen zusätzlichen Pol darstellt. Dieser Dämpfungswiderstand Rdamp kann mit folgender Gleichung bestimmt werden:

Typische Werte für eine Filterinduktivität am Ausgang sind 0,47 µH bis 2,2 µH. Außerdem sollte der Gleichstromwiderstand RDC klein und die Eigenresonanzfrequenz möglichst hoch sein. Wichtig bei der Auswahl von Rdamp ist in diesem Fall, dass dieser deutlich größer als der RDC der Filterinduktivität ist, um die Dämpfung des Filters nicht zu verringern. Anstelle einer klassischen Induktivität kann hier auch eine SMD-Ferritperle verwendet werden. Als Filterkondensatoren eignen sich kompakte SMT-Elektrolytkondensatoren im Kapazitätsbereich von 10 µF bis 100 µF. Bei der Auslegung des Ausgangsfilters sollten aus den bereits oben genannten Gründen auch Keramikkondensatoren mit Keramik der Klasse 2 vermieden werden.

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

© 2021 WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten.