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Elektromagnetische Verträglichkeit

DC-DC-Wandler zeit- und kostensparend entstören

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Niederfrequente Störungen innovativ reduzieren

Das bereits erwähnte Spread-Spectrum- Verfahren hat Texas Instruments im synchronen Aufwärts/Abwärts-Wandler TPS55165-Q1 weiter verfeinert. Üblicherweise beträgt die Modulationsfrequenz f_m ungefähr der Auflösungsbandbreite (Resolution Bandwidth, RBW), während die Spreizungsbandbreite ΔfC zwischen ±5 % und ±10 % angesetzt wird. Üblicherweise wählt man einen f_m-Wert von etwa 9 kHz, um in Normen wie etwa CISPR 25 den niederfrequenten Bereich zu optimieren.

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Da dieser Wert jedoch in den hörbaren Frequenzbereich fällt, lässt sich die dreieckförmige Modulation zusätzlich pseudozufällig modulieren. Bekannt ist dieses Verfahren unter der Bezeichnung Dual Random Spread Spectrum (DRSS). In Bild 4 ist die leitungsgebundene Störabstrahlung des nicht synchronen Aufwärtsreglers LM5156-Q1 mit bzw. ohne DRSS-Technik zu sehen.

Um die Störungen im niederfrequenten Teil des Spektrums noch weiter zu senken, kommt im Abwärtsregler LM25149-Q1 eine aktive EMI- Filterung zum Einsatz. Diese mindert differenzielle leitungsgebundene Störungen am Eingang, indem der Baustein die erfasste Störgröße durch ein Signal von genau entgegengesetzter Polarität weitgehend neutralisiert. So etwas ist bei Kopfhörern bekannt als Active Noise Cancellation. Dank dieser aktiven Filterung lassen sich die nachfolgenden passiven Filterelemente kleiner und kostengünstiger bemessen.

Besonderheiten bei isolierten Wandlern

Anders als bei nicht isolierten Wandlern stellt die Isolationsbarriere eine wichtige Quelle für Gleichtaktstörungen bei isolierten Wandlern dar. Über die parasitären Kapazitäten des Übertragers können Gleichtaktströme nicht nur von der Primärseite zur Masse, sondern auch von der Primär- zur Sekundärseite fließen. Die übliche Gegenmaßnahme besteht darin, den Eingangspfad mit einer großen Gleichtaktdrossel zu versehen. Abhilfe lässt sich jedoch auch durch das Einfügen von Kompensationswicklungen oder Abschirmungen in die Struktur des Übertragers schaffen.

Die in Bild 5 gezeigte verbesserte Übertragerstruktur besitzt eine (schwarz dargestellte) Hilfswicklung zwischen den inneren Primär- und Sekundärwicklungslagen. Die zusätzliche Gleichtakt-Ausgleichslage schirmt die Schnittstelle zwischen der inneren Hälfte der Primärwicklung und der Sekundärwicklung ab und hilft beim Erzeugen einer kompensierenden Gleichtaktspannung, damit die äußere Hälfte der Primärwicklung unter dem Strich kein Gleichtaktsignal abgibt. Da hierdurch insgesamt praktisch kein Gleichtaktstrom in die Sekundärwicklung fließt, lassen sich die Grenzwerte der Standards mit einem minimalen Aufwand an Gleichtaktfilterung einhalten.

Hochfrequente Störungen innovativ reduzieren

Die bisher beschriebenen Techniken zur Entstörung konzentrierten sich vorwiegend auf niederfrequentere Signale unter 30 MHz. Zu den wichtigsten Maßnahmen gegen hochfrequente Störungen gehört, die Induktivitäten in Schleifen mit hoher Leistung zu minimieren. Wirksam ist beispielsweise die Abkehr von Gehäusen mit Bonddrähten zugunsten von Flip-Chip-Bauformen auf Leadframe-Basis (z. B. der Gehäusetyp HotRod, ein Markenname für Flip-Chip-QFN). Hierbei wird der Halbleiterchip kopfüber direkt auf dem Leadframe befestigt, sodass die sonst durch Bonddrähte verursachten parasitären Induktivitäten wegfallen. Ein positiver Nebeneffekt ist der reduzierte Widerstand, der dem Wirkungsgrad zugute kommt und somit neben dem geringeren Platzbedarf einen weiteren Pluspunkt darstellt. Das HotRod-Gehäuse hat jedoch noch einen weiteren Vorteil, denn es ermöglicht eine optimierte Anschlussbelegung des DC-DC-Wandlers mit dem Ziel, die Eingangskondensatoren symmetrisch anordnen zu können, um die Störaussendungen an benachbarte Systeme zu reduzieren. Ein solcher parallel angelegter Eingangspfad minimiert außerdem die hochfrequenten Störungen speziell im besonders kritischen FM-Band weiter.

Das Gehäuse der Bauform »Enhanced HotRod QFN« bietet neben den bekannten Fähigkeiten des HotRod-Gehäuses, die Störabstrahlung zu mindern, den weiteren Vorzug, dass der Schaltknoten eine noch geringere Streukapazität besitzt, was das Schwingen verringert. Auch die parasitären R-, L- und C-Komponenten an den VIN- und GND-Pins fallen bei dieser Gehäusebauform geringer aus.

Eine weitere Technik, nämlich die Integration von HF-Entkoppelkondensatoren direkt in das Gehäuse des Bausteins, kommt im Fall des Abwärtswandlers zum Einsatz. Diese Maßnahme reduziert nicht nur die Induktivität der eingangsseitigen Leistungsschleife, sondern verringert auch die Abhängigkeit der Lösung von Änderungen am Leiterplatten-Layout des finalen Systems. Ein Vergleich der abgestrahlten Störgrößen des LMQ62440-Q1 ohne bzw. mit integrierten Bypass-Kondensatoren ist in Bild 6 zu sehen. Zu erkennen ist, dass die Störemissionen im besonders reglementierten TV-Band von 200 MHz bis 230 MHz um 9 dB niedriger liegen. Das System kann somit ohne zusätzliche Bauteile auf der Leiterplatte unter den EMI-Grenzwerten der einschlägigen Standards bleiben.