Power-Tipp

Fallstricke beim Verlangsamen von Schaltübergängen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bild 1: Schaltübergänge eines Schaltreglers, Spannung am Schaltknoten
Bild 1: Schaltübergänge eines Schaltreglers, Spannung am Schaltknoten (Bild: Analog Devices)

Durch schnelle Schaltübergänge nehmen Störungen im Frequenzbereich der Schaltübergänge im Bereich zwischen ca. 20 und 200 MHz stark zu. Wie lässt sich das verhindern?

Bereits in einem früheren Power-Tipp haben wir uns mit den Auswirkungen von schnellen Schalttransienten beschäftigt. Solche schnellen Transienten sind vorteilhaft, weil sie die Schaltverluste eines Schaltreglers wesentlich reduzieren. Besonders bei hohen Schaltfrequenzen kann die Leistungseffizienz eines solchen Schaltreglers stark gesteigert werden.

Durch schnelle Schaltübergänge ergeben sich aber auch Nachteile. Störungen im Frequenzbereich der Schaltübergänge im Bereich zwischen ca. 20 und 200 MHz nehmen stark zu. Somit ist es eine wichtige Aufgabe eines Entwicklers von getakteten Stromversorgungen, einen sinnvollen Kompromiss zwischen hoher Leistungseffizienz und niedrigen Störungen im hohen Frequenzbereich zu finden.

Bild 1 zeigt sowohl einen schnellen als auch einen langsamen Schaltübergang. Ein schneller Schaltübergang verursacht ein stärkeres Einkoppeln von Störungen in benachbarte Schaltungsteile. Leiterbahnen, welche sehr schnell die Spannung wechseln, können auf benachbarte Leitungen mit hoher Impedanz kapazitiv koppeln. Leiterbahnen, welche schnelle Stromänderungen führen, koppeln auf benachbarte Leiterbahnen induktiv.

Schaltübergänge bei synchronen und nicht synchronen Reglern verlangsamen

Um diese Effekte zu minimieren, können die Schaltübergänge verlangsamt werden. Bild 2 zeigt eine bewährte Technik bei nicht synchronen Schaltreglern. Bei diesen ist einer der beiden Schalter mit einer Schottky-Diode ausgeführt. Ein Widerstand in Serie mit dem Cboot-Kondensator, welcher die Gatespannung des oberen N-Kanal MOSFETs speist, führt zu langsamerem Schalten des Schalters.

Dieser Trick wird bei integrierten Schaltreglern angewendet, wo kein direkter Zugriff auf den Gatepfad des MOSFETs besteht. Falls ein Schaltkontroller mit externem MOSFET eingesetzt wird, kann auch ein Widerstand in die Leitung des Gatepfades eingefügt werden. Üblich sind Widerstandswerte unter 100 Ohm. Die meisten modernen Schaltregler sind jedoch synchrone Schaltregler mit einem oberen und auch unteren aktiven Schalter.

Hier kann man die Schaltübergänge nicht so einfach mit einem Widerstand im Cboot-Pfad verlangsamen. Würde man hier ebenfalls einen Widerstand in Serie mit Cboot setzen, wie in Bild 3 gezeigt, würde man auch das Umschalten des oberen Schalters verlangsamen. Dies kann dazu führen, dass der untere Schalter noch nicht vollkommen abgeschaltet ist. Somit kann es sein, dass der obere sowie untere Schalter vorübergehend gleichzeitig eingeschaltet sind.

Dies würde zu einem Kurzschluss von der Eingangsspannung nach Masse führen. Das ist besonders kritisch, da die Geschwindigkeit der Schaltübergänge auch von Parametern wie der Betriebstemperatur und einer gewissen Streuung bei der Halbleiterfertigung beeinflusst wird. Somit kann auch bei einer Überprüfung im Labor keine Garantie für einen sicheren Betrieb gegeben werden.

Will man Schaltübergänge bei synchronen Schaltreglern mit integrierten Schaltern verlangsamen, sollte ein synchroner Schaltregler verwendet werden, bei welchem die Geschwindigkeit der Schaltübergänge direkt eingestellt werden kann. Ein Beispiel hierfür ist der ADP5014 von Analog Devices. Bei diesen Bausteinen wird intern sichergestellt, dass beide Schalter nicht gleichzeitig geschlossen sind und somit kein Kurzschluss auftritt. Dies erfolgt ohne einen Widerstand im Cboot-Pfad.

* Frederik Dostal arbeitet im technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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