Schaltregler EMV-Störungen reduzieren

Schaltregler erzeugen Störungen, die tunlichst begrenzt sein wollen. Doch es gibt mannigfaltige Störungsarten und Einkopplungsmechanismen. Welche Lösungen sind die besten, um z. B. das Rauschen zu reduzieren? Und welche Strategien zum Filtern der verbliebenen Störungen sind wirkungsvoll?

von Frederik Dostal, Power Business Technical Manager bei Analog Devices.

Heutzutage erfolgt die DC/DC-Wandlung normalerweise mit Schaltreglern. Allerdings schalten diese starke Ströme in kürzester Zeit ein und aus, das di/dt ist groß. Diese Kombination prädestiniert solche Regler für das Freisetzen vieler Störungen. Das Grundprinzip von Schaltreglern lässt sich jedoch nicht ändern. Allerdings gibt es bestimmte Wege, die erzeugten Störungen zu reduzieren und die noch verbleibenden Anteile auf unterschiedliche Weisen zu filtern, damit eine bestimmte Anwendung Störfestigkeitstests besteht und die Einkopplung von Stromversorgungsrauschen in empfindliche Analogschaltkreise verhindert wird.

Schaltwandler erzeugen unterschiedliche Arten von Störungen. Die wichtigsten sind Störungen auf der Schaltfrequenz und ihren Harmonischen (Schaltstörungen), hochfrequentes Rauschen, verursacht durch die Schaltflanken, sowie Überschwingen (Ringing), das beim Ein- und Ausschalten der Leistungshalbleiter durch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten entsteht. Das Nachschwingen im lückenden Betrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM) sowie Schwebungsfrequenzen (Beat Frequencies) beim Betrieb mehrerer Schaltregler in einem System sind weitere Störquellen.

Störungen durch das Schalten können sehr dominant sein. Gegenwärtig liegen diese normalerweise bei Frequenzen zwischen 500 kHz und 3 MHz bei nicht-isolierten DC/DC-Schaltreglern und erzeugen ausgangsseitig eine Brummspannung (Voltage Ripple). Allerdings lassen sie sich üblicherweise mit einem externen Taktsignal gut einstellen. Dadurch lassen sich diese Störungen anschließend relativ einfach mit einem LC-Filter unterdrücken. Ist es dennoch nötig, die Brummspannung beispielsweise für eine empfindliche Last weiter herabzusetzen, leisten Linearregler gute Dienste.

Bild 1 zeigt oben die Ausgangsspannung eines Schaltreglers mit seiner typischen Brummspannung. Ein solcher Signalverlauf ist kennzeichnend für Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR am Ausgang (Equivalent Series Resistance, Reihenersatzwiderstand). Der untere Teil des Bildes zeigt, wie sich die Brummspannung mit einem zusätzlichen LC-Filter oder einem Linearregler merklich senken lässt. Zur Berechnung der Filterkomponenten für eine bestimmte Schaltung bieten Halbleiterhersteller auf ihren Webseiten Berechnungswerkzeuge an. Bei Analog Devices sind dies ADIsimPower für die Schaltungsberechnung und ADIsimPE für die Simulation.

Störungen durch das Schalten

Hochfrequente Störungen, die durch das Umschalten von Leistungshalbleitern entstehen, sind oft der am schwierigsten zu beherrschende Typ von Störungen (Bild 2). Parasitäre Induktivitäten im Strompfad, die aus Leiterbahnen, IC-Anschlüssen, Durchkontaktierungen und Bonddrähten resultieren, sind deren Auslöser. Eine 2,5 cm lange Leiterbahn beispielsweise hat in etwa eine Streuinduktivität von 20 nH. Nimmt man eine Umschaltzeit von 30 ns für einen typischen Schaltregler und einen erforderlichen Ausgangsstrom von 5 A an, lässt sich der Spannungshub berechnen, den diese Leiterbahn verursacht. Dazu verwendet man die Grundformel U = L · di/dt. Mit den Werten aus obigem Beispiel erhält man einen Spannungshub von 3,3 V. Diese Spannung wird in die Schaltung einkoppeln und sich in Störungen bemerkbar machen.

Der Schlüssel, um Störungen dieses Typs zu reduzieren, liegt darin, die parasitäre Induktivität zu minimieren. Denn die Stromänderung, das »di« in der Gleichung, lässt sich nicht reduzieren, da eine bestimmte Last einen bestimmten Strom erfordert. In Zukunft dürfte sich der Strom sogar noch erhöhen, da weiter verkleinerte Halbleiterstrukturen mit noch niedrigeren Versorgungs- und Signalspannungen auskommen und – unter Annahme einer konstanten Leistungsaufnahme – die Ströme ansteigen werden. Des Weiteren wird die Schaltzeit »dt«, in welcher der Strom abfällt, mit schneller schaltenden MOSFETs zunehmend kürzer. Dadurch reduzieren sich die Schaltverluste und ermöglichen somit höhere Schaltfrequenzen. Dies wiederum erlaubt kleine und preiswerte Spulen und Ausgangskapazitäten. Allerdings steigt gemäß der genannten Formel dann wiederum der Spannungshub. In Zukunft dürften die Umschaltzeiten infolge von Siliziumkarbid und anderen schnellen Halbleitern zum Schalten elektrischer Leistung noch kürzer werden.