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Extrem störarme DC-DC-Wandler realisieren

07. April 2021, 15:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Extrem störarme DC-DC-Wandler realisieren
© Texas Instruments

Um die Störabstrahlung bei DC-DC-Wandlern zu minimieren, hat Texas Instruments eine neue Familie von Buck-Reglern entwickelt. Damit eignen sie sich besonders für Fahrassistenzsysteme oder die Gebäudeautomatisierung.

LM25149-Q1 und LM25149 heißen zwei neue Buck-Controller von Texas Instruments, mit denen Entwickler die Abmessungen von Stromversorgungs-Lösungen reduzieren und die elektromagnetischen Interferenzen (EMI) eindämmen können. Durch das integrierte aktive EMI-Filter (AEF) und die DRSS-Technologie (Dual-Random Spread-Spectrum) sollen Entwickler mit diesen Bausteinen die Fläche des externen EMI-Filters halbieren oder das Ausmaß der leitungsgebundenen Störabstrahlung über mehrere Frequenzbänder hinweg um bis zu 55 dBµV verringern können. Natürlich können sich die Entwickler auch für eine Kombination aus reduzierter Filtergröße und niedrigem EMI-Niveau entscheiden.

Texas Instruments, Buck Regulators, LM25149
© Texas Instruments

Durch das aktive integrierte EMI-Filter lässt sich die Fläche des externen EMI-Filters beim Buck-Regler LM25149 von Texas Instruments halbieren.

Vorserien-Stückzahlen der 42-V-Bausteine LM25149-Q1 und LM25149 sind ab sofort über die Webseite von TI in einem thermisch optimierten, 3,5 mm × 5,5 mm großen VQFN-Gehäuse (Very thin Quad Flat No-lead) mit 24 Pins verfügbar. Die Preise beginnen bei 1,42 US-Dollar bzw. 1,20 US-Dollar (jeweils ab 1.000 Stück). Das Evaluation-Modul LM25149-Q1EVM-2100 kann für 75,– US-Dollar bestellt werden. TI geht davon aus, dass beide Bauelemente vom vierten Quartal 2021 an in Produktionsstückzahlen verfügbar sein werden. Darüber hinaus plant das Unternehmen, noch in diesem Jahr 80-V-Versionen beider Bausteine auf den Markt zu bringen.

EMI bei Fahrassistenzsystemen zunehmend ein Problem

Die Eindämmung der elektromagnetischen Interferenzen in Stromversorgungen stellt eine wachsende Herausforderung beim Design dar. Dies gilt insbesondere angesichts des zunehmenden Elektronikgehalts in Fahrassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems – ADAS), Infotainment- und Cluster-Systemen im Automotive-Segment, in der Gebäudeautomation sowie in Aerospace-Designs.

Texas Instruments, Buck Regulators, LM25149
© Texas Instruments

Größenvergleich eines DC-DC-Wandlers ohne aktivem EMI-Filter (links) und mit aktivem integrierten EMI-Filter (rechts).

Um sicherzustellen, dass ein Design den Vorgaben für die leitungsgeführten Störgrößen entspricht, vergrößerte man traditionell die Größe des externen passiven EMI-Filters, was wiederum die Lösungsabmessungen der Stromversorgung erhöhte. Durch die Integration des aktiven Filters geben die Buck-Controller LM25149-Q1 und LM25149 den Entwicklern nunmehr die Möglichkeit, die EMI-Normen einzuhalten und gleichzeitig die Leistungsdichte ihrer Designs zu steigern. Über die Funktionsweise eines integrierten AEF informiert der Fachartikel How to reduce EMI and shrink power-supply size with an integrated active EMI filter.

CISPR 25 Klasse 5 eingehalten

Die strengsten Vorschriften der Industrie für Designs mit niedrigem EMI-Niveau sind die Automotive-EMI-Spezifikationen CISPR 25 Klasse 5. Die Buck-Controller LM25149-Q1 und LM25149 unterstützen Entwickler bei der Einhaltung dieser Vorgaben, indem sie die leitungsgeführten Störgrößen über mehrere Frequenzbänder hinweg abschwächen. Der integrierte EMI-Filter hilft bei der Detektierung und Eindämmung leitungsgeführter Störgrößen im niedrigen Frequenzband von 150 kHz bis 10 MHz. Entwickler können dadurch die Störspannung gegenüber einem Design mit deaktiviertem EMI-Filter um bis zu 50 dBµV verringern (bei 440 kHz Schaltfrequenz), während die Reduzierung gegenüber einem Design mit typischem passivem Filter bis zu 20 dBµV beträgt. In beiden Designszenarien hilft außerdem die DRSS-Technologie, das EMI-Niveau in den niedrigen und hohen Frequenzbändern um weitere 5 dBµV zu senken.

Zur weiteren EMI-Reduzierung bieten beide Buck-Controller die Möglichkeit, sich mit einem externen Taktsignal zu synchronisieren. Entwickler können hiermit in EMI-sensiblen Anwendungen unerwünschte Schwebungsfrequenzen unterdrücken. Mehr über Techniken zur EMI-Eindämmung findet sich in dem Whitepaper Time-Saving and Cost-Effective Innovations for EMI Reduction in Power Supplies.

Eine weitere Anhebung der Leistungsdichte bewirken die Controller LM25149-Q1 und LM25149, indem sie einen versetzten Zweiphasen-Betrieb (Interleaved Mode) ermöglichen. Außerdem sind die Bootstrap-Diode, die Regelkreis-Kompensation und die Bauelemente zur Rückführung der Ausgangsspannung integriert, was die Komplexität und die Kosten des Designs verringert. Wenn dies zur weiteren Optimierung ihrer Designs gewünscht ist, können Entwickler auch die Rückkopplung und die Regelkreis-Kompensation extern implementieren. 

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