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Elektromagnetische Verträglichkeit

DC-DC-Wandler zeit- und kostensparend entstören

07. September 2021, 10:00 Uhr   |  Yogesh Ramadass, Ambreesh Tripathi und Paul Curtis, Texas Instruments

DC-DC-Wandler zeit- und kostensparend entstören
© Texas Instruments, WEKA Fachmedien

Weil elektronischer Systeme immer weiter schrumpfen und immer stärker vernetzt werden, ist es wichtiger denn je, die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen einzudämmen. Es gibt einige Techniken, um einen DC-DC-Wandler zeit- und kostensparend zu entstören.

Zu den am häufigsten vorkommenden Schaltungen in modernen elektronischen Systemen gehören DC-DC-Wandler. Ihren hoher Wirkungsgrad erkaufen sie allerdings damit, dass sie elektromagnetische Störungen erzeugen, verursacht durch stark schwankende Eingangsströme, hohe Anstiegsraten und Oszillationen infolge parasitärer Induktivitäten (Bild 1). Sich dem Thema Entstörung also erst dann zu widmen, wenn ein Design fertig ist, reicht keinesfalls aus, denn die möglicherweise erforderlichen Änderungen können das Design auch zeitlich weit zurückwerfen und somit viel Geld kosten.

 Exemplarische Störquellen in einer getakteten Stromversorgung
© Texas Instruments

Bild 1: Exemplarische Störquellen in einer getakteten Stromversorgung.

Bei den elektromagnetischen Störungen muss zwischen leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen unterschieden werden. Während leitungsgebundenen Störungen in der Regel Frequenzen von unter 30 MHz aufweisen, sind die abgestrahlten vorwiegend oberhalb dieser Marke anzusiedeln. Da Störungen die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen können, sind ihre Auswirkungen einzudämmen.

Eine Übersicht der Methoden, mit denen sich leitungsgebundene (conducted) und abgestrahlte (radiated) Störungen eindämmen lassen
© Texas Instruments

Bild 2: Eine Übersicht der Methoden, mit denen sich leitungsgebundene (conducted) und abgestrahlte (radiated) Störungen eindämmen lassen.

Ein Weg besteht darin, die Stärke der Störung an der Quelle zu reduziert, der andere darin, die Empfindlichkeit der Störsenken auf die Störung zu verringern. Um Komponenten unterschiedlicher Zulieferer problemlos kombinieren zu können, sind in verschiedenen Standards bestimmte Grenzwerte für die maximal tolerierbaren, abgestrahlten und leitungsgebundenen Störgrößen festgelegt.

Im Zentrum des Interesses steht selbstverständlich das Reduzieren der Störungen. Dafür kommen verschiedene Maßnahmen in Frage (Bild 2).

Konventionelle Methoden

Wenn sich der Strom in einem DC-DC-Wandler schnell ändert, kann die Eingangsspannung wellig werden. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen kann dies andere Systeme beeinträchtigen. Abhilfe sollte ganz einfach ein klassisches LC-Filter schaffen, das allerdings zusätzlichen Platz benötigt und somit zwangsläufig die Leistungsdichte beeinträchtigt. Hinzu kommt, dass große Induktivitäten wegen ihrer geringeren Resonanzfrequenz oberhalb von 30 MHz an Filterwirkung einbüßen, sodass beispielsweise zusätzlich Ferritperlen benötigt werden.

Störspektrum einer getakteten Stromversorgung ohne (rot) bzw. mit Spread-Spektrum-Technik (blau)
© Texas Instruments

Bild 3: Störspektrum einer getakteten Stromversorgung ohne (rot) bzw. mit Spread-Spektrum-Technik (blau).

Eine weitere konventionelle Methode ist das auch als Spread-Spectrum-Verfahren bezeichnete Dithering. Hierbei schwankt die Schaltfrequenz eines Wandlers in einem vorgegebenen Rahmen. Damit verteilt sich die Störspitze auf ein breiteres Spektrum. Dies reduziert zwar die Störpegel, aber das Grundrauschen steigt etwas (Bild 3) an.
Attraktiv an dieser Methode ist – neben ihrer einfachen Implementierung – die Tatsache, dass sie sich mit anderen Entstörverfahren kombinieren lässt. Ein Allheilmittel ist sie dennoch nicht, und bei niedrigen Schaltfrequenzen lässt ihre Wirkung prinzipbedingt nach.

Um mit kleineren Filterinduktivitäten auszukommen, kann man auch die Schaltfrequenz eines DC-DC-Wandlers anheben, wobei allerdings sensible Frequenzbänder wie das von 525 kHz bis 1705 kHz reichende AM-Band auszusparen sind. Bei den Wandlern von Texas Instruments (TI) ist die Schaltfrequenz aus diesem Grund oberhalb von 1,8 MHz angesetzt. Damit die Schaltverluste nicht ausufern, werden allerdings hohe Anforderungen an die Steilheit der Schaltflanken gestellt, was wiederum dazu führt, dass das Spektrum selbst bei hohen Frequenzen nahe der hundertsten Oberschwingung noch einen hohen Energiegehalt aufweist.

Wegen der unvermeidlichen parasitären Induktivitäten im Leistungspfad führen steile Schaltflanken unweigerlich zu hochfrequenten Schwingungen am Schaltknoten. Die traditionelle Abhilfe dagegen besteht darin, die Flankensteilheit zu verringern, indem der Gate-Widerstand bewusst erhöht wird. Die Zustandswechsel erfolgen hierdurch langsamer, sodass unter anderem die Störemissionen schneller abfallen. Der Nachteil dieser Maßnahme ist, dass der maximal erzielbare Wirkungsgrad um zwei bis drei Prozentpunkte sinkt.

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1. DC-DC-Wandler zeit- und kostensparend entstören
2. Niederfrequente Störungen innovativ reduzieren
3. Weitere Maßnahmen und EMV-Modellierung

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