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Negative Ausgangsspannungen Die Abstrahlungen eines Ćuk-Wandlers minimieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Ćuk-Wandler sind aufgrund von Induktivitäten in den eingangs- und ausgangsseitigen Leistungspfaden sehr rauscharm. Mit einem geschickten Leiterplatten-Layout, das die ‚Hot Loops‘ minimiert, lässt sich die Störstrahlung nochmals verringern.

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Bild 1: Aufbau einer Ćuk-Topologie zum Erzeugen von negativen Spannungen. Ćuk-Wandler gelten als besonders störungsarm und eignen sich hervorragend dazu negative Ausgangsspannungen zu erzeugen. Mit einem optimierten Leiterplattenlaypout lassen sich die Störungen nochmals verringern.
Bild 1: Aufbau einer Ćuk-Topologie zum Erzeugen von negativen Spannungen. Ćuk-Wandler gelten als besonders störungsarm und eignen sich hervorragend dazu negative Ausgangsspannungen zu erzeugen. Mit einem optimierten Leiterplattenlaypout lassen sich die Störungen nochmals verringern.
(Bild: Analog Devices )

Die Ćuk-Topologie eignet sich hervorragend, um aus einer positiven Versorgungsspannung eine negative Ausgangsspannung zu erzeugen. Negative Spannungen werden in vielen Systemen benötigt, um Signale von Sensoren auszulesen.

Hierzu muss eine Signalkette beispielsweise mit 5 V und –5 V oder 15 V und –15 V versorgt werden. Auch Schaltelemente auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) werden ebenfalls mithilfe von negativen Spannungen sicher geschaltet.

Die Ćuk-Topologie wird auch als ‚2L inverting‘-Topologie bezeichnet, da sie zwei Induktivitäten im Leistungspfad benötigt. Bild 1 zeigt den Aufbau der Ćuk-Topologie.

Bei der Auswahl eines geeigneten Schaltregler-ICs ist darauf zu achten, dass ein Feedback Pin für eine negative Spannung zur Verfügung steht. Analog Devices bietet viele passende monolithische Schaltregler-ICs mit integrierten Schaltern und auch Controller-ICs mit externen Schalttransistoren.

In erster Linie sind die benötigten zwei Induktivitäten ein Kosten- und Platzfaktor. Diese beiden Bausteine führen jedoch auch dazu, dass sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig eine Induktivität im Leistungspfad liegt.

Das verhindert schnell geschaltete Ströme am Eingang und auch am Ausgang. Dies führt dazu, dass Ćuk-Wandler generell als besonders störungsarm gelten. Natürlich hat aber auch eine Ćuk-Topologie, wie auch jeder andere Schaltregler, geschaltete Ströme. Diese sind in Bild 1 als ‚Hot Loop‘ in blau dargestellt.

Mit dem Begriff ‚Hot Loop‘ meine ich die Gruppe der Leitungen, welche schnelle
di/dt-Übergänge beinhalten. Um die durch die geschalteten Ströme erzeugten Störungen so weit es geht zu minimieren, sollten Sie die parasitäre Induktivität und damit die räumliche Ausdehnung dieser Schleife so klein wie möglich gestalten.

In einem optimalen Leiterplatten-Layout für einen Ćuk-Wandler sind also die Freilaufdiode D, die Koppelkapazität C sowie der Schalter S1 sehr nah beieinander anzubringen. Bei entsprechendem Pinout eines ICs, wie beispielsweise dem LT8330, ist eine kompakte Führung der Leiterbahnen kein Problem.

Bild 2: 
Für die Ćuk-Topologie optimiertes Leiterplatten-Layout.
Bild 2: 
Für die Ćuk-Topologie optimiertes Leiterplatten-Layout.
(Bild: Analog Devices )

Bild 2 zeigt den Bereich der Leistungspfade der geschalteten Ströme (hot loop) in einem konkreten Leiterplatten-Layout. Die kritische Schleife besteht aus der externen Diode D, der Koppelkapazität C, sowie einer internen Verbindung zwischen dem GND- und SW-Pin innerhalb des Schaltregler-ICs LT8330. Die Hot Loop ist so klein und kompakt wie möglich ausgelegt.

Bild 3: Beispielschaltung eines Ćuk-Wandlers mit einem LT8330.
Bild 3: Beispielschaltung eines Ćuk-Wandlers mit einem LT8330.
(Bild: Analog Devices )

Bild 3 zeigt eine Beispielschaltung mit einem LT8330, welcher sich gut als Regler in einer Ćuk-Topologie eignet. Eine wichtige Besonderheit ist der FBX-Pin. Er ist eine besondere Art von FB-Pin, welcher sowohl negative Spannungen, wie in einer Ćuk-Topologie benötigt, als auch positive Spannungen verarbeiten kann. Falls der LT8330 in einer Boost- oder auch SEPIC-Topologie eingesetzt wird, ist eine positive Polarität des Feedbackpins erforderlich.

Fazit: Ćuk-Wandler eignen sich hervorragend um negative Spannungen mit geringer Störabstrahlung zu erzeugen. Dies ist durch die eingangs- und ausgangsseitigen Induktivitäten bedingt. Wenn dann noch ein optimiertes Leiterplatten-Layout mit einer sehr kompakten ‚Hot Loop‘ implementiert wird, erhält man eine sehr rauscharme Lösung.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 06/2020 (Download PDF)

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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