Geringe Störemissionen

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9. Mai 2022, 14:35 Uhr | Von Keith Szolusha, Applications Director, und Kevin Thai, Applications Engineer, beide bei Analog Devices

Müssen DC/DC-Wandler synchron sein,um geringe Störemissionen aufzuweisen? Nein, auch asynchrone Wandler mit Freilaufdioden können emissionsarm sein.

Synchrone »Silent Switcher«-Wandler haben den Goldstandard für leistungsstarke, kompakte und leise DC/DC-Wandler gesetzt und das EMV-Design auf Systemebene in rauschempfindlichen Umgebungen mit hoher Leistung vereinfacht. Monolithische Aufwärtsregler (mit integriertem Leistungsschalter) bieten einen effizienten und kompakteren Ansatz gegenüber Controller-basierten Designs (externer Schalter) und werden üblicherweise bei Quellenspannungen von 5, 12 und 24 V eingesetzt.

Integrierte synchrone Schalter und ihr einzigartiges Layout sind Teil des Geheimnisses von Silent-Switcher-Wandlern. Integrierte Schalter erzeugen winzige Hot Loops (heiße Schleifen beinhalten Leitungen, auf denen es schnelle di/dt-Übergänge gibt, die Störungen generieren), die dazu beitragen, die Störemissionen auf ein Minimum zu reduzieren. Dies kann jedoch mit Kosten verbunden sein; zudem sind synchrone Schalter möglicherweise nicht in allen Anwendungen erforderlich. Schaltwandler können kostengünstiger sein, wenn nur ein einziger Leistungsschalter in das Silizium integriert ist und auf eine kostengünstige externe, diskrete Freilaufdiode als zweiter Schalter zurückgegriffen werden kann. Dies ist eine gängige Praxis bei preisgünstigeren Wandlern. Aber ist dieser Ansatz auch in Ordnung, wenn es auf geringe Störemissionen ankommt?

Mit asynchronen Wandlern mit diskreten Freilaufdioden lassen sich immer noch geringe Störaussendungen erzielen. Dazu muss dem Layout der Hot Loop und der Schaltflankengeschwindigkeit dV/dt besondere Aufmerksamkeit beigemessen werden. Eine zusätzliche Emissionsreduzierung durch Spreizspektrum-Frequenzmodulation (SSFM) ist aber unerlässlich. Monolithische Schaltregler wie der asynchrone LED-Treiber LT3950 mit 60 V und 1,5 A sowie der asynchrone Aufwärtswandler LT8334 mit 40 V und 5 A haben jeweils einen einzelnen Low-Side-Leistungsschalter integriert, brauchen also noch externe Freilaufdioden, erreichen aber niedrige Emissionen.

Freilaufdioden vs. Totzeit

Die Integration eines einzigen Leistungsschalters anstelle von zweien in einen monolithischen Wandler kann die Chipgröße um 30 bis 40 Prozent reduzieren, was zu geringeren Kosten führt. Die externe, diskrete Freilaufdiode braucht zwar etwas Platz auf der Leiterplatte, aber diese Dioden sind in großen Stückzahlen vorhanden, robust und preiswert. In einem Aufwärtswandler arbeiten Schottky-Dioden mit geringer VF (Durchlassspannung) bei hoher Ausgangsspannung und niedrigem Tastverhältnis mit hohem Wirkungsgrad – und übertreffen damit unter Umständen teure Hochspannungs-Leistungs-FETs.

Ein Grund dafür könnte die Totzeit sein. In typischen synchronen Wandlern übernimmt die Body-Diode des Leistungsschalters während einer voreingestellten Totzeit den Stromfluss, um potenzielle Shoot-Through-Katastrophen zu verhindern. Shoot-Through tritt auf, wenn der synchrone Schalter eingeschaltet wird, bevor der Hauptschalter vollständig ausgeschaltet werden kann, wodurch ein direkter Kurzschluss nach Ground vom Eingang oder Ausgang (Abwärts- oder Aufwärtsbetrieb) entsteht. Die Totzeitregelung kann bei hohen Schaltfrequenzen und minimaler und maximaler Einschaltdauer ein Problem bei der Entwicklung von Schaltreglern sein. Kostengünstige Freilaufdioden mit niedriger Durchlassspannung machen eine Totzeitlogik in einem Schaltregler überflüssig. In den meisten Fällen übertreffen sie auch den Durchlass-Spannungsabfall der inhärenten Body-Dioden in den Leistungsschaltern (die während der Totzeit leitend sind).

Einfache Layouts und Gehäuse

Zunächst beginnen wir mit einem einfachen monolithischen Aufwärtswandler, um ein grundlegendes Layout zu demonstrieren. Der LED-Treiber LT3950 (60 V, 1,5 A) in Bild 1 hat eine einfache Leiterplatten-Hot-Loop. Diese Hot Loop umfasst ausschließlich den kleinen keramischen Ausgangskondensator und die diskrete Freilaufdiode PMEG6010CEH. Reicht das für niedrige Störemissionen aus? Es ist auf alle Fälle ein Teil der Gleichung. Das drahtgebondete 16-polige MSE-Gehäuse und die kleine Hot Loop können niedrige Störabstrahlungen erzielen, wenn sie mit SSFM und gut geregeltem Schaltverhalten (Schaltflankenübergänge, die aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit und der parasitären Leiterbahninduktivität kein Vor- und Nachschwingen aufweisen) kombiniert werden.

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Als Nächstes kann der einzelne Schalter eines asynchronen Wandlers verwendet werden, um eine SEPIC-Topologie (Aufwärts- und Abwärtswandler) zu realisieren. Aufgrund des einzelnen Schalters kann die Hot Loop des Aufwärtswandlers einfach unterbrochen und der in Bild 2 und Bild 3 gezeigte SEPIC-Kopplungskondensator eingefügt werden. Die meisten synchronen Aufwärtswandler, deren oberer und unterer Schalter dauerhaft an einem einzigen Schaltknoten angeschlossen sind, können nicht in einen SEPIC-Wandler umgewandelt werden. Die Hot Loop des SEPIC bleibt klein, wenn auf die Schleife, die durch den Koppelkondensator, die Freilaufdiode und den Ausgangskondensator gebildet wird, geachtet wird.

Der asynchrone Aufwärtswandler LT8334 verfügt über einen integrierten Schalter mit 5 A, 40 V. Dieser monolithische Aufwärtswandler eignet sich für die Realisierung von SEPIC-Wandlern mit 12-V-Ausgangsspannung. Bild 2 zeigt einen Standard-SEPIC-Wandler (12 V, 2 A+) mit Koppelkondensator C1 und eine gekoppelte Induktivität. Da die winzige Freilaufdiode PMEG4030ER, D1, nicht direkt am Schaltknoten befestigt ist, kann der 4,7-μF-Keramik-Koppelkondensator (0805) mit Gleichstromsperre problemlos zwischen der Diode und dem Schaltknoten platziert werden. Das Hot-Loop-Layout bleibt auf dem Demo-Board »EVAL-LT8334-AZ SEPIC« klein. Wenn das Kupfer des Schaltknotens so klein wie möglich und so nah wie möglich am Schaltpin gehalten wird, trägt dies zur Minimierung der strahlungsgebundenen Emissionen bei. Es ist zu beachten, dass die gesamte Hot Loop auf Layer 1 platziert ist und dass weder am Schaltknoten noch am gekoppelten Schaltknoten auf der anderen Seite des Koppelkondensators Durchkontaktierungen vorhanden sind. Diese beiden Schaltknoten sollten so klein wie möglich sein und so nah wie möglich beieinanderliegen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Das 12-polige DFN-Gehäuse des LT8334 trägt dazu bei, die Hot Loop und die Störemissionen so gering wie möglich zu halten.