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„Ruhige“ Schaltregler ohne Effizienzeinbußen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Schaltregler punkten durch ihre hohe Effizienz, nachteilig sind allerdings die starken Störungen, die sie verursachen. Bisher mussten Entwickler hier mit einem Kompromiss leben: Hohe Effizienz oder wenig Störungen. Wir stellen ein neues Konzept vor, das bei hoher Effizienz die Störfelder stark reduziert.

Schaltregler bieten viele Vorteile gegenüber Linearreglern. Dazu zählt vor allem die hohe Effizienz. Es gibt jedoch auch Nachteile.

Eine für viele Anwendungen signifikante Herausforderung sind die durch den Schaltregler erzeugten Störungen. Diese sind sowohl leitungsgebunden (eingangs- und ausgangsseitig) als auch elektromagnetisch abstrahlend. Diese Störungen sind unangenehm, weil sie sich in signalkritische Teile eines elektrischen Gerätes einkoppeln können, was zu Funktionseinbußen bis hin zu Störungen im Gerät führen kann.

Die Störungen können ebenfalls dazu führen, dass Vorgaben wie beispielsweise die Grenze ‚CISPR22 Radiated Class B‘ für die Abstrahlung zwischen 30 und 450 MHz nicht eingehalten werden können.

Bild 1 zeigt die von einer getakteten Stromversorgung erzeugten Frequenzen. Neben der eigentlichen Schaltfrequenz, die üblicherweise zwischen 500 kHz und 3 MHz bei nicht galvanisch getrennten Stromversorgungen liegt, werden auch Frequenzen zwischen ca. 10 und 200 MHz durch die Geschwindigkeit der Schaltübergänge erzeugt. Dies entspricht einer Dauer der Schaltübergänge zwischen 100 und 5 ns.

Verlängert man die Dauer der Schaltübergänge, lassen sich die Störungen, die durch schnelle Schaltübergänge erzeugt werden, verringern. Langsameres Umschalten in einem Schaltregler verlagert die Störungen nicht nur zu niedrigeren Frequenzen, sondern reduziert diese auch.

Das ist durch die Beziehung U = L* di/dt begründet. Wenn also ein gewisser Stromfluss in einem Schaltregler sehr schnell umgeschaltet wird (ansteigt und abfällt), ergeben sich bei fester parasitärer Induktivität ein größerer Spannungsversatz und somit höhere Störungen.

Aufgrund dieser Aussage könnte man meinen, dass es besser ist, mit langsamen Schaltübergängen zu arbeiten. Was die verursachten Störungen betrifft, stimmt das. Leider erzeugen langsame Schaltübergänge höhere Schaltverluste. Der Schalter ist während dieses Übergangs weder komplett ein- noch abgeschaltet und hat in dieser Zeit einen hohen Widerstand. Das führt zu Leistungsverlusten und reduziert die Wandlungseffizienz des Schaltreglers.

Symmetrische Ströme im Schaltregler heben sich gegenseitig auf

Über viele Jahre musste der Entwickler damit leben, entweder eine hohe Effizienz, dafür auch hohe Störungen, oder eine geringe Wandlungseffizienz mit geringeren erzeugten Störungen zu akzeptieren. Hinzugefügte Filter und auch Abschirmungen reduzierten die erzeugten Störungen etwas.

Seit kurzem gibt es eine signifikante Veränderung, was diese Vorgehensweise betrifft. Ingenieure von Linear Technologies (jetzt Analog Devices) kamen auf die Idee, die geschalteten Ströme symmetrisch anzuordnen, sodass sich die Felder gegenseitig aufheben und nur sehr stark reduzierte Störungen verursachen. Die Reduktion liegt zwischen 20 und 40 dB.

Bild 2 zeigt die Schaltung. Der geschaltete Strom wird in zwei symmetrische Pfade aufgeteilt. Ein Pfad erzeugt ein Feld, das dieselbe Stärke, jedoch die gegenläufige Orientierung zum zweiten Pfad besitzt. Somit heben sich diese Störfelder weitgehend auf.

Diese Innovation wird unter dem Begriff ‚Silent Switcher‘ vermarktet und ist keineswegs nur ein Marketingslogan, sondern ein echter technischer Fortschritt. Es können sehr schnelle Schaltflanken verwendet werden, ohne dass Probleme hinsichtlich EMI und EMV auftreten. Schaltregler werden dadurch ‚ruhig‘ und bleiben trotzdem ‚effizient‘.

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

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