Ganz ohne LDO
Stromversorgung ohne Rauschen und Restwelligkeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Hinzufügen eines Durchführungskondensators
In Bild 3 ist im roten Kasten ein Durchführungskondensator erkennbar. Ferner wurde einer der beiden 22-µF-Keramikkondensatoren (ursprünglich neben der Drosselspule angeordnet) so verlagert, dass er auf den Durchführungskondensator folgt. Die besten Regelungseigenschaften erhält man, wenn man das Feedback-Signal für den TPS543620 nach dem Durchführungskondensator abgreift.
Mit einem Durchführungskondensator erzielt man eine deutliche Senkung der Welligkeit, und auch die Sprungantwort verbessert sich geringfügig. Nachteilig ist wiederum, dass Durchführungskondensatoren keine Standardbauteile sind und nur bei einer begrenzten Zahl von Anbietern verfügbar sind. Überdies ist der Temperaturbereich dieser Bauelemente begrenzt, und nicht zuletzt führt ihr DC-Widerstand zu erhöhten Verlusten. Die Welligkeit bei der Grundfrequenz wird durch einen Durchführungskondensator außerdem nur halbiert. Hier wären Bauteile mit höherer Kapazität und einer nahe fSW (Schaltfrequenz) liegenden Eigenresonanzfrequenz wünschenswert, aber diese sind derzeit nicht verfügbar.
Ferritperle
als zusätzliches Filterelement
Eine Ferritperle bewährt sich aus verschiedenen Gründen hervorragend als zweite Filterstufe. Da es Ferritperlen mit hinreichend großer Induktivität bei Frequenzen unterhalb von 10 MHz gibt, können sie die Welligkeit der Ausgangsspannung bei der Schaltfrequenz (fSW) und deren Oberschwingungen ausfiltern. Die zunehmende Impedanz einer Ferritperle von 100 MHz bis 1 GHz erlaubt ferner das Ausfiltern hochfrequenter Schaltstörungen aus den steigenden und fallenden Flanken am Schaltknoten. Ferritperlen werden in kleinen Standardgehäusen (z. B. im 0603-Format) angeboten und sorgen dank ihres niedrigen DC-Widerstands für geringe Verluste. Da sie zudem recht preisgünstig sind, werden sie recht häufig zu Filterzwecken eingesetzt.
Nicht vergessen werden darf allerdings das Problem der Sättigung, durch die sich die Induktivität und damit die Filterwirkung reduziert. Die gewählte Ferritperle sollte deshalb für das Zweifache des spezifizierten Laststroms ausgelegt sein. Sollen mit einer Versorgungsspannung mehrere Verbraucher gespeist werden, besteht die Möglichkeit, jeden einzelnen Zweig mit seiner eigenen Ferritperle zu versehen.
Damit die zweite Filterstufe eine hohe Resonanzfrequenz aufweist, ist auf zwei Dinge zu achten. Erstens sollte eine Ferritperle mit geringer Induktivität zum Einsatz kommen. Glücklicherweise weisen die meisten Hochstrom-Ferritperlen mit niedrigem DC-Widerstand tatsächlich auch eine niedrige Induktivität auf. Zweitens sollte die Kapazität vor der Ferritperle niedrig sein, um die Resonanzfrequenz der zweiten Filterstufe anzuheben.
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Wie effektiv eine Ferritperle als zweite Filterstufe ist, lässt sich im FFT-Diagramm an den deutlich niedrigeren Spitzen bei sämtlichen Frequenzen erkennen – bei der Schaltfrequenz von 1 MHz ist die Spitze sogar fast um den Faktor zehn geringer. Das Einschwingverhalten ist dagegen nahezu unverändert, weshalb der Stabilität der Regelung genauere Beachtung geschenkt werden sollte. Das Bode-Diagramm in Bild 4 lässt bei etwa 300 kHz einen starken Abfall des Verstärkungs- und Phasengangs erkennen. Die sehr hohe Schleifenbandbreite bei ca. 140 kHz steht außerdem im Widerspruch zu der Vorgabe, dass die Resonanzfrequenz der zweiten Filterstufe das Dreifache der Schleifenbandbreite betragen sollte. Die Amplitudenreserve liegt außerdem unter den geforderten 10 dB, und auch die Phasenreserve ist geringer, sodass entsprechende Kompensationsmaßnahmen, die wiederum zusätzliche Bauelemente erfordern, unabdingbar sind.
- Stromversorgung ohne Rauschen und Restwelligkeit
- Hinzufügen eines Durchführungskondensators
- Das Layout – ebenfalls wichtig
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