Techniken zur Störminderung in Stromversorgungen

Störarme Schaltnetzteile

Für Test- und Messanwendungen müssen Stromversorgungen äußerst störarm arbeiten, um die Messsignale nicht zu verfälschen. Werden solche Geräte am Stromnetz betrieben, sind noch immer Linearregler die erste Wahl, jedoch verursachen sie hohe Verlustleistungen. Es ist aber auch möglich, Schaltregler so zu optimieren, dass sie Versorgungsspannungen mit extrem niedrigem Rauschen über ein breites Frequenzband hinweg erzeugen

Die breite Verfügbarkeit vieler, teils sehr empfindlicher Sensoren für viele Messaufgaben führt zu einer großen Verbreitung von elektronischer Sensorik - bis hin zu selbst-konfigurierenden Sensor-Netzwerken. Darüber hinaus hat sich die analoge Schaltungstechnik ebenfalls weiterentwickelt, so dass heute äußerst empfindliche Messinstrumente gebaut werden können, die extreme Auflösungen bieten. All dies benötigt jedoch Stromversorgungen wie die nachfolgend vorgestellte, wobei diese netzgespeist ist. Einige der sekundärseitigen Techniken lassen sich beispielsweise auch auf Batteriespeisung anwenden, ist doch eine Batterie zwar meist niederohmig und rauscharm, aber eben nicht rauschfrei.

In der Messtechnik gelten hohe Anforderungen, denn die Störsignale der Stromversorgung dürfen keinesfalls die Messsignale verfälschen. Nachfolgend wird daher zwischen drei Arten von Störsignalen unterschieden:

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Bild 1. Für die Störsignalmessungen wird das Schaltnetzteil über eine Netznachbildung angeschlossen, am Ausgang wird das Frequenzspektum gemessen.

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Bild 1. Für die Störsignalmessungen wird das Schaltnetzteil über eine Netznachbildung angeschlossen, am Ausgang wird das Frequenzspektum gemessen.

Unabhängig vom Mechanismus der Erzeugung der Störsignale ist es notwendig, diese dort zu messen, wo sie am meisten stören – direkt an der Last beziehungsweise am Ausgang der Stromversorgung. Für die Messung eignet sich eine elektronische Last, die gleichzeitig in der Lage ist, die Wechselspannungsanteile am Ausgang breitbandig abzugreifen und für weitere Messungen beispielsweise für einen Spektrumanalysator zur Verfügung zu stellen. Das Prinzip dieser Messung ist in Bild 1 dargestellt.

Für die Messungen wurde die Stromversorgung über eine Netznachbildung (Line Impedance Stabilizer Network, LISN) betrieben, um definierte Impedanzwerte am Eingang zu erzielen und Störsignale vom Stromnetz zu dämpfen. Mittels eines Spektrumanalysators lassen sich die Störsignale am Ausgang viel genauer untersuchen als mit einer simplen Messung der Spannungswelligkeit.

Die Einkopplung einer Störspannung vom Netzeingang in das Messsignal (Ausgangsspannung) wird über den Versorgungsspannungsdurchgriff (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) beschrieben – ein von Operationsverstärker-Datenblättern her bekannter Parameter. Dieser Parameter bechreibt z.B., dass eine Störspannung von 10 mV auf der Betriebsspannung und einem PSRR von –70 dB zu einem Störsignal am Ausgang führt von U = 10 mV × (–70 dB) = –107,8 dBu, was zunächst schon recht gut klingt. Bei einem Analog/Digital-Umsetzer (ADU), dessen Signal-Rauschabstand (Signal-to-Noise-Ratio, SNR) anderweitig nicht verschlechtert wird, entspricht dies einer Auflösung von 18 bit. In einem hochpräzisen Messsystem mit 24 bit Auflösung wären 6 bit ohne Nutzen. Hier dürfte auf der Versorgungsspannung höchstens noch eine Rauschspannung von 145 µV toleriert werden.

Ein Schaltnetzteil, das weniger stört

Als Stromversorgung eines solchen Messsystems soll ein Schaltnetzteil verwendet werden, um einen guten Wirkungsgrad und eine niedrige Verlustleistung im Bereitschaftsbetrieb zu erzielen sowie einen Weitbereichseingang zu bieten. Linear geregelte Netzteile mit 50-Hz-Transformatoren haben – neben den bekannten Nachteilen wie Größe, Masse, Materialbedarf und geringe Flexibilität – auch einen Nachteil, der sich speziell für diese Betrachtung als ein wichtiger Faktor erweist: Die Übertragung von Störsignalen der ersten oben aufgeführten Kategorien ist leider gut, da diese Transformatoren Störsignale „freiwillig“ durch ihre große Bandbreite, oder „unfreiwillig“ mittels ihrer parasitären Kapazitäten sehr gut übertragen. In Schaltnetzteilen dagegen kann diese Kopplung deutlich gedämpft werden.

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Bild 2. Die Schaltung des störarmen Schaltnetzteils weicht auf den ersten Blick nur minimal durch zusätzliche Filterschaltungen von üblichen Schaltnetzteilschaltungen ab.

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Bild 2. Die Schaltung des störarmen Schaltnetzteils weicht auf den ersten Blick nur minimal durch zusätzliche Filterschaltungen von üblichen Schaltnetzteilschaltungen ab.

Bild 2 zeigt die Schaltung eines störarmen Schaltnetzteils mit den verschiedenen Stufen. Da die meisten analogen Schaltungen eine bipolare Stromversorgung benötigen, wurden hier gleich zwei Ausgangsspannungen von jeweils 24 V/100 mA vorgesehen, die gesamte Ausgangsleistung beträgt 5 W. Das Netzfilter (links) besteht aus einer stromkompensierten Drossel – auch Gleichtaktdrossel genannt –, der ein zweistufiges T-Filter und zwei Y-Kondensatoren folgen. Nach dem Brückengleichrichter mit Speicherkondensator folgt die Sperrwandler-Stufe, die mit einem FSQ500N _[1] von Fairchild Semiconductor realisiert wurde.

Dieses Schaltregler-IC mit einem integrierten Leistungs-MOSFET ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau des Sperrwandlers. Als Snubber dient eine konventionelle RCD-Schaltung. Für den Leistungsübertrager wurde ein RM8-Kern gewählt, da diese Bauart, im Gegensatz zu den üblichen E- oder ER-Kernen, eine wesentlich bessere magnetische Schirmung aufweist. Ein Optokoppler mit integrierter Spannungsreferenz, der FOD2741 _[2] von Fairchild Semiconductor, dient zur Messung der Ausgangsspannung für die Regelschleife. Auf der Sekundärseite folgen dem Gleichrichter mit Schottky-Dioden ein LC-Tiefpass sowie eine als Kapazitäts-Multiplizierer bekannte Schaltung, hier in einer Version mit je zwei Transistoren.

Die grundsätzliche Funktion der einzelnen Stufen dieses Schaltnetzteils wird hier nicht weiter beschrieben. Statt dessen wird untersucht, wie die Stufen die Störsignalunterdrückung beeinflussen.

Beim Eingangsfilter ist es wichtig, die passenden L- und C-Werte zu wählen, die der charakteristischen Eingangsimpedanz des Netzteiles entsprechen – minimale Eingangsspannung geteilt durch maximalen Eingangsstrom –, um Resonanz-Effekte am Eingang zu vermeiden. Je stärker die Dämpfung dieses Filters ist, desto weniger Netzstörungen können zum Ausgang gelangen. Wenn jedoch die Grenzfrequenz des Filters zu niedrig wird, können Störungen auftreten, insbesondere bei sehr dynamischen Lastschwankungen. Eventuell führen solche Störungen durch Interaktion mit der Regelschleife des PWM-Controllers sogar zu Oszillationen.

Für den Netzgleichrichter sollten schnelle Gleichrichter-Dioden gewählt werden, beispielsweise vom Typ UF4007 [3] anstelle der üblichen 1N4007, da diese erheblich weniger Kommutierungs-Störungen hervorrufen. Ein kleiner Kondensator parallel zu den Dioden kann hier entstehende Störsignale effektiv bedämpfen. Die Dioden sollten bezüglich ihrer Stromtragfähigkeit so klein wie möglich gewählt werden. Der Speicherkondensator sollte möglichst groß gewählt werden und darüber hinaus einen kleinen Ersatz-Serienwiderstand (ESR) aufweisen. Dies führt zwar zu hohen Stromimpulsen beim Aufladen des Kondensators, aber die Gleichrichterdioden leiten dann nur kurz, und nur in dieser kurzen Zeitspanne können Netzstörungen überhaupt weitergeleitet werden.

Für den Sperrwandler wurde ein PWM-Controller mit hoher Schaltfrequenz von ca. 130 kHz gewählt – die meisten heutigen Schaltnetzteile arbeiten bei 50 kHz – 60 kHz –, da sich Störsignale höherer Frequenz leichter mit Filtern dämpfen lassen als niedrigere Frequenzen. Außerdem ermöglicht die höhere Schaltfrequenz einen kompakteren Aufbau, insbesondere des Transformators, und damit niedrigere parasitäre Kapazitäten.

Der Leistungsübertrager ist mit mehreren Schirmwicklungen ausgestattet, von denen die erste mit der primärseitigen Masse verbunden ist, um die kapazitive Kopplung von Schaltvorgängen zu dämpfen. Die zweite Schirmwicklung ist mit dem Schutzleiter verbunden, um ein definiertes Potenzial einzustellen und die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite zu minimieren. Die dritte Schirmwicklung ist mit der sekundärseitigen Masse verbunden, um die kapazitive Kopplung von Störsignalen der Sekundärseite, z.B. von den Gleichrichterdioden verursacht, zu reduzieren. Die Ausführung als RM-Kern sorgt für eine gute magnetische Schirmung, was sich an der sehr niedrigen Streu-Induktivität erkennen lässt: 10 µH bei einer Primär-Induktivität von 1,9 mH.

Die Schottky-Dioden als Gleichrichter auf der Sekundärseite weisen eine gute und vor allem rauscharme Funktion auf. Bei höheren Stromstärken könnte auch eine Synchrongleichrichtung mit MOSFETs verwendet werden, womit sich gegebenenfalls eine noch rauschärmere Arbeitsweise erreichen lässt. Am Siebkondensator der Sekundärseite lassen sich Spannungsspitzen nachweisen, die aus den Schaltvorgängen der Primärseite resultieren. Sie können durch ein LC-Tiefpassfilter gedämpft werden. Hier muss zwischen Filterwirkung und Aufwand abgewogen werden. Ein mehrstufiges Filter kann ein guter Kompromiss sein. Es filtert zwar gegenüber einstufigen Filtern – wie in dieser Schaltung – weniger gut bei niedrigen Frequenzen, aufgrund der wesentlich steileren Kennlinie ist es jedoch bei höheren Frequenzen deutlich besser.

Als Messgröße (Ist-Wert) für die Regelschleife wird die positive Ausgangsspannung hinter dem LC-Filter abgegriffen. Damit wird zumindest für die Regelung der Ausgangsspannung der Einfluss durch den ohmschen Widerstand des LC-Filters kompensiert. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Tiefpasswirkung dieses LC-Filters bei der Kompensation des Reglers zu berücksichtigen ist. Die negative Ausgangsspannung ist nur lose geregelt und bei weitem nicht so stabil wie die geregelte positive Spannung, dies zeigt sich auch bei Geräuschmessungen insbesondere im niedrigeren Frequenzbereich.

Die Kapazitäts-Multiplizierer am Ausgang funktionieren im Grunde wie Emitterfolger mit einer per Z-Diode stabilisierten Gleichspannung als Basisspannung. Die Schaltung – eine komplementäre Darlingston-Stufe, ähnlich der Längstransistor-Anordnung in Linearreglern (LDO, Low Drop-out) – regelt die Ausgangsspannung nach. Diese Schaltung funktioniert auch mit nur einem Transistor, dann ist aber die Wirkung nicht so stark und die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung höher. Der Kondensator an der Basis der komplementären Darlington-Stufe bildet zusammen mit einem Widerstand einen Tiefpass, um das Rauschen der Z-Diode zu dämpfen. Damit lässt sich neben einer signifikanten Reduktion des Rauschens auch die Ausgangsspannung stabilisieren, was insbesondere für die negative, ungeregelte Ausgangsspannung dieses Netzteils vorteilhaft ist. Auch wenn diese Regelung der Ausgangsspannung nicht benötigt wird, wirkt diese Schaltung als guter Rausch-„Entferner“ mit wenig Bauelemente-Aufwand und geringer zusätzlicher Verlustleistung.

1. Teil: Störarme Schaltnetzteile
2. Teil: Platzierung und Layout

Weiterführende Links:

• Design quasiresonanter Sperrwandler: Nicht nur Verluste minimiert
• Leistungsfaktorkorrektur: PFC- und DC/DC-Wandler in Einem