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Filter inside?

Ausgangsspannung ohne Verluste gefiltert

Die Ausgangsspannung von Schaltreglern hat stets eine Restwelligkeit, die nachfolgende Baugruppen stören und zu elektromagnetischen Beeinflussungen führen kann. Zur Störunterdrückung kommen daher häufig Ausgangsfilter zum Einsatz, die unter Umständen die Regelschleife negativ beeinflussen. Dies kann eine Kompensation der Regelschleife erforderlich machen. Doch sollte das Filter überhaupt in die Regelschleife integriert werden?

Egal welche Schaltreglertopologie im Einsatz ist, der Ausgangsstrom verursacht durch den parasitären Serienwiderstand ESR und die parasitäre Induktivität ESL des Ausgangskondensators eine unerwünschte Restwelligkeit. In Abhängigkeit vom gewählten Kondensatortyp entsteht so eine relativ große Restwelligkeit und weist unterschiedliche Kurvenformen auf. So zeigt beispielsweise ein gängiger Elektrolytkondensator, je nach Ausgangsleistung des Schaltreglers, eine Brumm- oder Ripple-Spannung bis zu einigen hundert Millivolt.

Bei der Wahl eines Keramikkondensators kann dieser Wert nur noch einige zehn 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 allerdings auch der hochfrequente Anteil an harmonischen Oberschwingungen der Ausgangsspannung, die zu erhöhter elektromagnetischer Störaussendung führen kann.

Ein Ausgangsfilter kann an dieser Stelle die Restwelligkeit reduzieren und hochfrequente Anteile herausfiltern. Um die Restwelligkeit zu verringern, kommen in der Praxis übli-cherweise LC-Tiefpassfilter zum Einsatz. Ist eine besonders saubere Ausgangsspannung erforderlich, wird der LC-Tiefpass um einen nachfolgenden Tiefpass aus einem Ferrit und einem Kondensator erweitert.

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Bild 1: Zweistufiges Ausgangsfilter
Bild 1: Zweistufiges Ausgangsfilter
© Würth Elektronik eiSos

Bild 1 zeigt ein solches zweistufiges Ausgangsfilter, das sich kostengünstig beispielweise mit einer Spule »WE-PD2« und einem SMD-Ferrit »WE-MPSB« von Würth Elektronik eiSos realisieren lässt. Dabei fungieren Lfilter und Cfilter1 als Tiefpassfilter, welche 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 von funkbetriebenen Schaltungen.

Ab einer gewissen Ausgangsleistung des Schaltreglers führt das 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 verkleinert dadurch die resultierende Ausgangsspannung.

Bild 2: Implementierung des Ausgangsfilters in den Regelkreis
Bild 2: Implementierung des Ausgangsfilters in den Regelkreis
© Würth Elektronik eiSos

Abhängig von der Bauform der Spule kann 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.

Um die Ist-Spannung zu ermitteln, wird bei Schaltreglern die Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler abgegriffen und an den Feedback-Anschluss des Schaltregler-ICs geführt.

Um Verluste der Ausgangsspannung durch ein Ausgangsfilter zu reduzieren, lässt sich der Ausgangsfilter in die Regelschleife integrieren, indem der Ist-Wert erst nach dem Ausgangsfilter abgegriffen wird. Bild 2 zeigt die schematische Anordnung dieses Verfahrens.

Regelschleife wird instabil

Filterspule, Ferrit und die Filterkondensatoren führen jedoch zu einer unerwünschten Phasenverschiebung, was die Stabilität der Regelschleife stört. Diese unerwünschte Phasenverschiebung verkleinert die Amplituden- und Phasenreserve. Im Extremfall führt dies zu Instabilität, und die Ausgangsspannung neigt zum Schwingen. Um die Stabilität zu gewährleisten, wird in der Praxis eine Amplitudenreserve von über 12 dB und eine Phasenreserve von über 45° verlangt, damit der Regelkreis bei Erregung nicht zum Schwingen neigt.

Bild 3: Bode-Diagramm eines stabil geregelten Schaltreglers
Bild 3: Bode-Diagramm eines stabil geregelten Schaltreglers
© Würth Elektronik eiSos

Als dynamisch stabil gilt der Regelkreis, wenn die Schleifenverstärkung auf 0 dB fällt, bevor die zugehörige Phasenverschiebung den Wert von -180° erreicht hat. Dabei soll der Amplitudengang der Schleifenverstärkung den Schnitt der X-Achse, also bei 0 dB mit 20 dB/Dekade durchlaufen. Bild 3 zeigt ein Bode-Diagramm eines stabil geregelten Abwärtswandlers. Dieses Beispiel zeigt eine Amplitudenreserve von 32 dB und eine Phasenreserve von 56°.

Sind die Stabilitätskriterien eines Schaltreglers mit einem Ausgangsfilter nicht erfüllt, so ist eine Kompensation der Regelschleife erforderlich, um eine stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten. Die Stabilität der Regelstrecke beeinflusst somit die Stabilität der Ausgangsspannung. Bei einer Spannungsschwankung am Eingang des Schaltreglers soll die Ausgangsspannung stabil bleiben.

Analog hierzu soll der Schaltregler bei einem schlagartigen Abfall oder Anstieg des Ausgangsstroms die Ausgangsspannung schnell nachregeln. Hierbei ist die Rede von der Sprungantwort (Transient Response).

Bild 4: Sprungantwort eines stabil geregelten Schaltreglers
Bild 4: Sprungantwort eines stabil geregelten Schaltreglers
© Würth Elektronik eiSos

Bild 4 zeigt die Sprung-antwort eines stabil geregelten Schaltreglers (gelbe Kurve) bei einer Ausgangsspannung von 5 V und einem schnellen Lastwechsel von 0 A auf 1 A (grüne Kurve). Eine derartige Laständerung soll zu einer schnellen Sprungantwort des Regelkreises führen und die Ausgangsspannung möglichst schnell auf ihren Soll-Wert regeln. Dabei soll die Sprungantwort keine zu große Amplitude in der Ausgangsspannung bewirken, da sonst nachfolgende Baugruppen Schaden nehmen könnten.

Idealerweise soll die Ausgangsspannung nach der Sprungantwort möglichst schnell auf den Soll-Wert geregelt werden, ohne dabei ein Überschwingen zu erzeugen oder gar zu schwingen (Ringing). Ein Schwingen während der Ausgleichsphase wäre somit auf eine Instabilität des Schaltreglers zurückzuführen. Sind eine schnelle Sprungantwort und eine kurze Ausgleichsphase gegeben, so kann der Schaltregler als stabil geregelt gelten.

Filter besser außerhalb der Regelstrecke

Wird das Ausgangsfilter in die Regelstrecke integriert, entsteht eine Regelstrecke zweiter Ordnung. Der Schaltregler muss daher einen höheren integrativen Anteil bei den Regelkoeffizienten haben, was die Regelstrecke dämpft und somit verlangsamt. Eine umständliche Kompensation der Regelstrecke wird nun erforderlich. Von dem Verfahren, ein Ausgangsfilter in die Regelstrecke zu integrieren, wird daher abgeraten.

Ein Abgriff der Ausgangsspannung des Schaltreglers sollte unmittelbar am Ausgangskondensator des Schaltreglers erfolgen, also vor einem Ausgangsfilter. Um DC-Verluste des Ausgangsfilters zu reduzieren, sollte der Entwickler Filterspulen und Ferrite mit möglichstem kleinem RDC auswählen.

Über den Autor:

Stefan Klein ist Application Engineer bei Würth Elektronik eiSos.


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