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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 2

Weitere Maßnahmen und EMV-Modellierung

Auch wenn man all die soeben aufgezählten Methoden anwendet, wird es in einigen Designs nicht gelingen, die hochfrequenten Störungen unter die von den Standards vorgegebenen Grenzwerte zu drücken. Als weitere Maßnahme ließe sich ein Widerstand in Serie zum Boot-Kondensator des Wandlers platzieren. Dies flacht die Schaltflanken etwas ab, was zwar die Höhe der Funkstörungen senkt, aber leider auch den Wirkungsgrad.

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Bei Wandlern wie dem LM61440-Q1 oder dem LM62440-Q1 lässt sich mithilfe eines Widerstands festlegen, wie stark das Treibersignal des high-seitigen MOSFETs beim Einschalten ist (Bild 7). Der über den R_BOOT-Pin fließende Strom (gepunkteter blauer Pfeil in der Blockschaltung Bild 7) wird multipliziert und aus C_BOOT gezogen (gestrichelte rote Linie), um den high-seitigen Leistungs-MOSFET einzuschalten. Auf diese Weise kann der Widerstand die Anstiegsgeschwindigkeit kontrollieren, ohne dass der Wirkungsgrad sinkt, was unweigerlich passieren würde, wenn der Großteil des Stroms über den Serienwiderstand fließt.

Werden die Pins R_BOOT und C_BOOT direkt miteinander verbunden, ergibt sich eine kurze Anstiegszeit, und die Oberschwingungen am Schaltknoten gehen erst oberhalb von 150 MHz zurück (Bild 7, oberes Oszillogramm). Verbindet man beide Pins dagegen über einen Widerstand von 700 Ω, so erhöht sich die Anstiegszeit auf 10 ns (bei einer Wandlung von 13,5 V in 5 V), und die Oberschwingungen am Schaltknoten fallen unter den meisten Bedingungen bereits in der Nähe von 50 MHz ab (Bild 7, unteres Oszillogramm).

Modellierung der Funkstörungen

Das Modellieren von Schaltungen ist eine wichtige Möglichkeit, die Performance eines Designs in verschiedenen Entwicklungsstadien zu evaluieren. Auch das Modellieren von EMI-Phänomenen kann es einfacher machen, die Zahl der Designiterationen zu reduzieren und die von den Standards vorgegebenen Grenzwerte mit vertretbarem Zeitaufwand einzuhalten. Störgrößen nachzubilden ist jedoch ein komplexer Prozess, der neben Schaltungsanalysen im Zeitbereich auch elektromagnetische Simulationen der Leiterplatte im Frequenzbereich erfordert.

Eine große Hilfe kann hierbei das Online-Tool Webench sein. Damit lassen sich die nötigen Eingangsfilter zur Abschwächung niederfrequenter leitungsgebundener Störgrößen (bis 30 MHz) entwerfen, um die Grenzwerte von Standards wie etwa CISPR 32 oder CISPR 25 einzuhalten. Das Tool optimiert dabei auch den Platzbedarf des Filters und sorgt für die Stabilität sowohl des Filters selbst als auch der Wandler-Regelschleife. Dieses Tool unterstützt mehr als hundert Power-Bausteine von TI.

Häufig wird der Fehler begangen, eine eingangsseitige, als EMI-Filter dienende Induktivität nicht zu bedämpfen, was sich nachteilig auf die Stabilität des Filters insgesamt auswirkt. Webench berücksichtigt auch diesen Punkt und schlägt das geeignete Dämpfungsbauteil vor, um die Stabilität zu gewährleisten.

Fazit

Immer komplexere Systeme müssen heutzutage mit immer weniger Platz auskommen, und die äußerst dicht gepackte Anordnung von teils sensiblen Systemen macht das Reduzieren der elektromagnetischen Störgrößen zu einer echten Herausforderung. Beim Design von DC-DC-Wandlern ist äußerste Sorgfalt geboten, um die für die jeweilige Anwendung geltenden Grenzwerte nicht zu überschreiten und sicherzustellen, dass kritische Systeme auch in Umgebungen mit hohem Störaufkommen sicher arbeiten. Im Beitrag wurden mit der Spread-Spectrum-Technik, der aktiven EMI-Filterung, Kompensationswicklungen, neuartigen Gehäusen, integrierten Bypass-Kondensatoren und der Kontrolle der Anstiegsgeschwindigkeit mehrere Methoden der EMI-Reduzierung vorgestellt, die insgesamt gute Voraussetzungen bieten, um die jeweils geltenden EMI-Obergrenzen einzuhalten, ohne dass sich dies nachteilig auf die Leistungsdichte oder den Wirkungsgrad auswirkt.

Die Autoren

Dr. Yogesh Ramadass

ist Director of Power Management R&D bei den Kilby Labs und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments. Er besitzt ein Bachelorund ein Master-Diplom sowie einen Doktortitel in Elektrotechnik. Im Rahmen seiner Tätigkeit an den Kilby Labs von Texas Instruments befasst er sich mit der Forschung und Entwicklung im Bereich der getakteten Wandlern mit hoher Leistungsdichte für Automotive-und Industrieanwendungen, der kompakten Power-Management-Lösungen für die Consumer-Elektronik, der Nanopower-IoT-Designs und der Hochspannungs-Stromversorgungen. Dr. Ramadass hat zahlreiche Auszeichnungen erhalten, ist Senior Member des IEEE und fungiert als Vorsitzender des Subkomitees »Power Management« des ISSCC.

Paul Curtis

ist als Analog Design Engineer am Standort Phoenix (Arizona/USA) tätig. Er kam im Juni 2016 zu TI, nachdem er sein Studium an der Arizona State University mit einem Master-Diplom abgeschlossen hatte. In seinen ersten Jahren bei TI arbeitete an einer Vielzahl getakteter Leistungswandler-ICs unter anderem mit Current-Mode-Boost-, Current-Mode-Buckund Constant-On-Time-Architektur.

Ambreesh Tripathi

ist Systems Engineering Manager bei Texas Instruments und verfügt über 13 Jahre Erfahrung in der Starkstromtechnik für den Automotive- und Industriesektor. Tripathi hat sich auf Techniken und Technologien für die EMI-Reduzierung und das Wärmemanagement spezialisiert und ist derzeit für die Definition von Power-Management-ICs für Automotive-und Industrie-Anwendungen zuständig (z. B. Fabrik- und ebäudeautomation,Infotainment, Fahrerassistenzsysteme, Beleuchtung usw.).