Würth Elektronik eiSos Ausgangsspannung ohne Verluste filtern

Schaltregler weisen häufig eine Restwelligkeit in ihrer Ausgangsspannung auf, die nachfolgende Baugruppen stören können. Zur Störunterdrückung genutzte Ausgangsfilter können jedoch Einfluss auf die Regelschleife haben. Folglich kann eine Kompensation der Regelschleife nötig sein. Ein Praxisbericht.

Von Jochen Baier, Senior Simplicity Manager Technical Marketing, Würth Elektronik eiSos

Egal, welche Schaltreglertopologie im Einsatz ist, der Ausgangsstrom verursacht durch den parasitären Serienwiderstand ESR und die parasitäre Induktivität ESL des Ausgangskondensators eine unerwünschte Restwelligkeit. Abhängig vom Kondensatortyp entsteht so eine relativ große Restwelligkeit mit unterschiedlichen Kurvenformen. So zeigt beispielsweise ein gängiger Elektrolytkondensator – je nach Ausgangsleistung des Schaltreglers – eine Rippel-Spannung bis zu einigen Hundert Millivolt. Bei einem Keramikkondensator kann die Rippel-Spannung nur noch einige zehntel Millivolt betragen.

Hohe Restwelligkeit ist unerwünscht und kann nachfolgende elektronische Baugruppen stören. Speziell analoge und HF-Schaltkreise erfordern eine stabile, geglättete und saubere Versorgungsspannung. Nicht zu vernachlässigen ist auch der hochfrequente Anteil an harmonischen Oberschwingungen der Ausgangsspannung, die zur erhöhten elektromagnetischen Störaussendung führen kann. Ein Ausgangsfilter kann an dieser Stelle die Restwelligkeit reduzieren und hochfrequente Anteile herausfiltern.

Um die Restwelligkeit zu reduzieren, greift man in der Praxis üblicherweise auf LC-Tiefpassfilter zurück. Ist eine besonders saubere Ausgangsspannung nötig, wird der LC-Tiefpassfilter um einen nachfolgenden Tiefpass aus einem Ferrit und einem Kondensator erweitert. Bild 1 zeigt einen solchen Zweistufen-Ausgangsfilter, der kostengünstig beispielsweise mit einer Spule WE-PD2 und einem SMD-Ferrit WE-MPSB von der Würth Elektronik eiSos realisiert werden kann.

LFilter und CFilter1 fungieren als Tiefpassfilter, die die Taktfrequenz des Schaltreglers ausfiltern und seine harmonischen Oberschwingungen dämpfen. Weitere hochfrequente Anteile der Ausgangsspannung des Schaltreglers werden durch den SMD-Ferrit in Wärme umgewandelt und zusammen mit Cfilter2 in ihrer Amplitude gedämpft. Solch ein einfacher Ausgangsfilter reduziert die Restwelligkeit auf wenige Millivolt und ermöglicht sogar die Versorgung funkbetriebener Schaltungen.

Ab einer gewissen Ausgangsleistung des Schaltreglers führt der Ausgangsfilter zu großen DC-Verlusten der Ausgangsleistung – und somit zur Reduzierung des Wirkungsgrads des Schaltreglers. Der Gleichstromwiderstand RDC der Spulen und Ferrite erzeugt nun einen signifikanten Spannungsabfall über dem Ausgangsfilter und bewirkt dadurch eine Reduzierung der resultierenden Ausgangsspannung. Je nach Bauform der Spule kann der RDC zwischen wenigen Milliohm bis einigen Ohm betragen und ist daher bei hohen Ausgangsströmen nicht vernachlässigbar. Selbst ein SMD-Hochstromferrit kann einen RDC von bis zu 0,04 Ω aufweisen.

Zur Ermittlung der Ist-Spannung bei Schaltreglern wird die Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler abgegriffen und an den Feedback-Anschluss des Schaltregler-ICs geführt. Um Verluste der Ausgangsspannung durch einen Ausgangsfilter zu reduzieren, besteht die Möglichkeit, den Ausgangsfilter in die Regelschleife zu implementieren, indem der Ist-Wert nach dem Ausgangsfilter ermittelt wird. Bild 2 zeigt die schematische Anordnung dieses Verfahrens.