Ausgangswelligkeit bei Tiefsetzstellern reduzieren Wellenreiten verpönt

Immer mehr Applikationen verlangen nach Versorgungsspannungen mit geringer Ausgangswelligkeit. Dieser Beitrag beleuchtet Ursachen und Hintergründe der Ausgangswelligkeit und zeigt an Hand von Beispielen, wo die Vor- und Nachteile verschiedener Schaltungen liegen, mit denen sich dieser unerwünschte Effekt verringern lässt.

Ausgangswelligkeit bei Tiefsetzstellern reduzieren

Immer mehr Applikationen verlangen nach Versorgungsspannungen mit geringer Ausgangswelligkeit. Dieser Beitrag beleuchtet Ursachen und Hintergründe der Ausgangswelligkeit und zeigt an Hand von Beispielen, wo die Vor- und Nachteile verschiedener Schaltungen liegen, mit denen sich dieser unerwünschte Effekt verringern lässt.

Getaktete Stromversorgungen mit geringer Spannungswelligkeit stehen nicht selten ganz oben auf der Wunschliste der Designer, denn empfindliche Sensoren wie auch digitale Schaltungen stellen sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Versorgungsspannung. Entwickler, die in der Vergangenheit Linearregler eingesetzt haben, sehen sich heute immer mehr gezwungen, auf Schaltregler umzusteigen, und müssen dann Wege finden, die Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern zu reduzieren. Die ständig geringer werdenden Versorgungsspannungen

führen gemeinsam mit den wachsenden Stromstärken dazu, dass das Fenster zum Regeln der Ausgangsspannung immer schmäler wird. In diese Betrachtung geht auch die Ausgangswelligkeit ein, die äußerst gering sein muss, damit die Ausgangsspannung innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Grundsätzlich hängt die Welligkeit der Ausgangsspannung von der Induktivität, dem Kondensator und der Schaltfrequenz ab. Auswirkungen auf die Spannungswelligkeit am Ausgang hat es allerdings auch, ob der Schaltregler nach dem Voltage- bzw. Current- Mode-Prinzip arbeitet oder ob es sich um einen Hysterese-Regler mit konstantem On-Intervall handelt.

Bezüglich der Spannungswelligkeit am Ausgang gelten für alle PWM-Tiefsetzsteller die gleichen Prinzipien. Das Grundkonzept eines asynchronen Schaltreglers ist in Bild 1 dargestellt. Mit der folgenden Formel lässt sich die Welligkeit der Ausgangsspannung berechnen:

URipple = Ipp x ESRCout.

Wie man sieht, hängt die Welligkeit von zwei Faktoren ab: vom effektiven Serienwiderstand (ESR) des Ausgangskondensators und der Stromwelligkeit in der Induktivität (Ipp). Letztere wiederum lässt sich mit der nachstehenden Formel errechnen:

Ipp = (Uin - Usw - Uout) x Ton/L.

Diesen Formeln ist zu entnehmen, dass der Designerfolgende Optionen hat, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu verringern:

  • Verwendung eines Kondensators mit sehr kleinem ESR,
  • Absenken der Spannung an der Induktivität,
  • Verwendung eines höheren Induktivitätswerts für L sowie
  • Verkürzen des On-Intervalls.

Diese Optionen werden nun im Detail besprochen

Was lässt sich also tun, um auch in diesen Designs, die ohne Welligkeit am Feedback-Pin nicht funktionieren, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu verringern? Hier bieten sich zwei Wege an. Die eine Möglichkeit ist, als Cout einen Kondensator mit niedrigem ESR zu wählen und den ESR mit einem separaten Widerstand künstlich zu erhöhen. Indem man die Ausgangsspannung direkt an Cout abgreift, hat man am Ausgang den Vorteil einer geringen Welligkeit, während dennoch die für den Feedback-Pin benötigte Welligkeit zur Verfügung steht. Leider verschlechtert sich durch den zusätzlichen Widerstand die Lastausregelung des Netzteils.

Es gibt jedoch noch eine weitere Möglichkeit: Mithilfe eines zusätzlichen Kondensators kann eine gewisse Welligkeit vom Schalt-Pin an den Feedback-Pin transferiert werden. Ausgangskondensator und Induktivität lassen sich jetzt wie bei einem PWM-Regler für geringe Welligkeit optimieren, während die Schaltung die Forderung nach ausreichend Welligkeit am Feedback-Anschluss dennoch erfüllt. Bild 3 zeigt eine solche Schaltung mit dem LM5007. C1 und R1 erzeugen ein Sägezahn-Signal an dem Knoten, an den C1, C2 und R1 angeschlossen sind. Über C2 wird diese Sägezahnwelle an den Feedback-Pin gekoppelt.

Spannungsspitzen separat optimieren

Unter der hier beschriebenen Spannungswelligkeit am Ausgang ist der typische dreieckförmige Verlauf der Ausgangsspannung zu verstehen. Bei Kondensatoren mit sehr niedrigem ESR ergibt sich ein eher sinusförmiger Verlauf, wobei die Ursachen dieselben sind. Schwankungen der Ausgangsspannung können jedoch auch durch Spannungsspitzen und Transienten hervorgerufen werden, die in der Praxis aber häufig mit der klassischen Welligkeit verwechselt werden. Diese Spannungsspitzen können unterschiedliche Ursachen haben, sind aber meist auf elektromagnetische Interferenzen zurückzuführen, die bei schlechtem Schaltungslayout sehr dominant sein können. Bei sehr plötzlichen Änderungen der Last oder der Eingangsspannung kann die Ausgangsspannung ebenfalls kurzzeitig ansteigen oder einbrechen. Diese Phänomene hängen meist von der Regelschleife der Schaltung ab. Sie dürfen nicht mit der Ausgangsspannungswelligkeit verwechselt werden und sind separat zu optimieren. Die Welligkeit der Ausgangsspannung von Schaltreglern hängt von den physikalischen Eigenschaften des Schaltungsdesigns ab. Meist tragen externe Bauelemente zur Welligkeit bei. Als Abhilfe bieten IC-Hersteller wie National Semiconductor flexible Power-Management-Chips, wie etwa die neuen Bausteine »LM3100«, »LM5005« und »LM5007« an, bei denen die Möglichkeit zum Variieren der Schaltfrequenz beziehungsweise der Kompensation besteht.

National Semiconductor
Telefon 0 81 41/35 0
www.national.com

Autoren
Frederik Dostal
ist Applications Engineer für Power Management und
Michele Sclocchi ist Principal Applications Engineer für Power Management, beide bei National Semiconductor

Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK