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Stromversorgung

Das Rauschen von Schaltwandlern

27. November 2019, 09:38 Uhr   |  Von Leo Liu


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Hochfrequente Spannungsspitzen und Überschwingungen

Die dritte Rauschart hat hochfrequente Spannungsspitzen und Überschwingungen (Ringing Noise) als Ursache, da die Ausgangsspannung durch das Ein- und Ausschalten von Schalttransistoren generiert wird. Aufgrund der parasitären Induktivitäten und Kapazitäten von Halbleiterschaltungen und Leiterbahnen, rufen schnelle Strom-Transienten sehr hohe Spannungsspitzen und Überschwinger am Schaltknoten eines Abwärtswandlers hervor.

Das Rauschen aufgrund von Spannungsspitzen und des Überschwingens steigt mit der Strombelastung. Bild 8 zeigt die Form der Spannungsspitzen bei Abwärtswandlern. Abhängig von der Flankensteilheit des Ein-/Ausschaltens des Schalters liegt die höchste Rauschfrequenz der Spannungsspitzen und des Überschwingens im Bereich von 20 MHz bis 300 MHz.

 Hochfrequente Spannungsspitzen und Überschwinger des Abwärtswandlers tragen ebenfalls zum Rauschen auf der Ausgangsspannung bei
© Analog Devices

Bild 8. Hochfrequente Spannungsspitzen und Überschwinger des Abwärtswandlers tragen ebenfalls zum Rauschen auf der Ausgangsspannung bei.

Deshalb ist das Ausgangs-LC-Filter wegen seiner parasitären Induktivität und Kapazität nicht sehr effektiv in der Rauschunterdrückung. Verglichen mit allem bisher über die Leitungswege gesagtem, ist das abgestrahlte Rauschen von den Schalt- und VIN-Knoten, das wegen seiner hohen Frequenz die Ausgangspannung und weitere analoge Schaltzungen beeinträchtigt, am stärksten.

Um das Rauschen aufgrund von hohen Spannungsspitzen und Überschwingern zu reduzieren, wird ein optimaler Schaltungsentwurf als auch die richtige Auswahl der Halbleiter empfohlen.

  • Zuerst sollte der Entwickler dazu ein zusätzliches Filter oder eine Ferrit-Perle an der Last verwenden. Üblicher-weise führt dies dazu, dass das Rauschen aufgrund von Spannungsspitzen wesentlich kleiner als das aufgrund der Restwelligkeit wird, führt allerdings auch zu Rauschkomponenten höherer Frequenz.
  • Zweitens sollten Entwickler die Rauschquellen abschirmen oder sie von den Schalt- und Eingangsknoten sowie den Eingangsknoten von der Ausgangsseite bzw. empfindlichen analogen Schaltungen fernhalten und die Ausgangsinduktivität abschirmen. Ein sorgfältiges Layout und sorgfältige Bauteilplatzierung sind ebenfalls wichtig.
  • Drittens sollten Entwickler die Flankensteilheit des Ein-/Ausschaltens des Schaltwandlers optimieren und seine parasitäre Induktivität sowie den parasitären Widerstand minimieren, um wirksam das Rauschen am Schaltknoten zu reduzieren. Die Silent-Switcher-Technik [2] von Analog Devices hilft über die Halbleiterschaltung das Rauschen am Eingangsknoten zu reduzieren.

Versorgungsspannungsdurchgriff des Abwärtswandlers

Der Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR, Power Supply Rejection Ratio) beschreibt die Fähigkeit des Schaltwandlers, das Rauschen von der Eingangsstromversorgung gedämpft an seinen Ausgang zu übertragen. Im folgenden Abschnitt werden die PSRR-Fähigkeiten im niederfrequenten Bereich analysiert.

Versogungsspannungsdurchgriff des Abwärswandlers, Bilder 9-11

Kleinsignal-Ersatzschaltung des Übertragungspfades der Eingangsspannung zum Ausgang eines Abwärtswandlers mit stromgeführter Regelung
Ergebnisse der PSRR-Berechnung (Kleinsignal-Modus) eines Abwärtswandlers
PSRR-Simulation des Abwärtswandlers mit der Simulationssoftware SIMPLIS von SIMPLIS Technologies

Alle Bilder anzeigen (3)

Das sehr hochfrequente Rauschen beeinträchtig die Ausgangspannung überwiegend durch Abstrahlung und nicht, wie bereits beschrieben, über den Leitungspfad.
Entsprechend dem Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines Abwärtswandlers in Bild 9 kann seine PSRR mit folgender Gleichung ausgedrückt werden:

G subscript g o end subscript left parenthesis s right parenthesis equals fraction numerator open square brackets G subscript i g end subscript left parenthesis s right parenthesis minus F subscript m cross times F subscript g cross times G subscript i d end subscript left parenthesis s right parenthesis close square brackets cross times Z subscript o left parenthesis s right parenthesis over denominator left parenthesis 1 plus F subscript m cross times G subscript i d end subscript cross times R subscript C S end subscript right parenthesis open square brackets 1 plus T subscript v left parenthesis s right parenthesis close square brackets end fraction space space space space space space space space space left parenthesis 5 right parenthesis

Mit:

G subscript i g end subscript left parenthesis s right parenthesis equals fraction numerator T V left parenthesis 1 plus s R C right parenthesis over denominator R open parentheses 1 plus s L over R plus s ² L C close parentheses end fraction space space space space space space space space space space left parenthesis 6 right parenthesis

Und:

Fm = Pegelgewinn (Slope Gain),
Fg = die zu regelnde Eingangsspannung,
Rcs = Stromfühlverstärkung,
Zo(s) = Ausgangskapazität und Last,
Tv(s) = Schleifenübertragungsfunktion.

Wird die Berechnung im Kleinsignalmodus (Bild 10) mit den Ergebnissen der Simulation (Bild 11) verglichen, lässt sich erkennen, dass der Kleinsignalmodus effektiv ist und mit den simulierten Ergebnissen gut übereinstimmt.

Die PSRR eines Schaltwandlers ist abhängig von der Höhe der Schleifenverstärkung im niederfrequenten Bereich. Schaltwandler haben inhärente LC-Filter, die das Eingangsrauschen im mittleren Frequenzbereich (100 Hz bis 10 MHz) unterdrücken können. Dies ist in diesem Frequenzbereich besser als das PSRR von Linearreglern (LDOs). Deshalb hat der Schaltwandler wegen seiner hohen Schleifenverstärkung eine sehr gute PSRR im niederfrequenten Bereich und die inhärenten LC-Filter beeinflussen den mittleren Frequenzbereich.

Literatur

[1] ADP5014 Integrated Power Solution with Quad Low Noise Buck Regulators. Analog Devices, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADP5014.pdf.

[2] Silent Switcher. Analog Devices, www.analog.com/en/products/landing-pages/001/silent-switcher.html.

[3] Morita, G.: Noise-Reduction Network for Adjustable-Output Low-Dropout Regulators. Analog Devices, www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/noise-reduction-network.html.

[4] Morita, G.: Noise Sources in Low-Dropout (LDO) Regulators. Analog Devices, www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1120.pdf.

[5] Felmlee, M.: Power Supply Considerations for AD9523, AD9524, and AD9523-1 Low Noise Clocks. Analog Devices, www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1066.pdf.

[6] Reeder, R.: Designing Power Supplies for High Speed ADC. Analog Devices, www.analog.com/en/technical-articles/power-supplies-high-speed-adc.html.

Der Autor

Liu-Leo von Analog-Devices
© Analog Devices

Liu Leo von Analog-Devices.

Leo Liu, M. Sc.

arbeitet seit 2005 für Analog Devices, als er als Field Applications Engineer in das chinesische Vertriebsteam eintrat. 2011 wechselte er als Applications Engineer in die Power Management Products Group und war seither für Anwendungen der Stromversorgungsprodukte verantwortlich. Er erhielt 2001 den Titel B. Sc. und 2004 den M. Sc. in Elektrotechnik von der Zhejiang-Universität in Hangzhou, China.

leo.liu@analog.com

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1. Das Rauschen von Schaltwandlern
2. Hochfrequente Spannungsspitzen und Überschwingungen

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