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Schaltregler: Mit diesen drei Möglichkeiten können Sie Störungen minimieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Power-Tipp: Filter für Schaltregler mit LTpowerCAD berechnen.
Power-Tipp: Filter für Schaltregler mit LTpowerCAD berechnen. (Bild: VCG)

Dieser Power-Tipp beschäftigt sich mit den Störungen von Schaltreglern. Wir zeigen drei Möglichkeiten, wie Sie die abgestrahlten und leitungsgebundenen Sörungen des Systems minimieren können und stellen einen Filterdesigner vor.

Alle Spannungswandler, die nach dem Schaltreglerprinzip arbeiten, verursachen Störungen. Diese werden hauptsächlich durch die Schaltfrequenz und die hohe Frequenz der Schaltübergänge verursacht. Störungen gelangen auf drei Wegen in das Umfeld eines Schaltreglers.

Man unterscheidet dabei die abgestrahlten Störungen, die leitungsgebundenen Störungen auf der Ausgangsseite sowie die leitungsgebundenen Störungen an der Eingangsseite des Schaltreglers.

Die abgestrahlten Störungen sind stark von parasitären Elementen abhängig und lassen sich durch ein optimiertes Leiterplatten-Layout reduzieren. Eine Möglichkeit, die abgestrahlten Störungen um bis zu 40 dB zu reduzieren (das ist ein Faktor von 10 000), ist die Verwendung von Schaltreglern nach dem Silent-Switcher-Prinzip. Hier sind die gepulsten Eingangsströme sehr symmetrisch ausgeführt, damit sich die erzeugten Felder zum großen Teil gegeneinander aufheben.

Leitungsgebundene Gleichtaktstörungen in Schaltreglern

Leitungsgebundene Störungen können mithilfe von Filtern reduziert werden. Sie sollten hierbei jedoch einige Punkte beachten. Der Filter muss nicht nur dafür optimiert werden, Störungen in einem bestimmten Frequenzbereich zu reduzieren, sondern der Filter hat auch Einfluss auf die Stabilität der gesamten Stromversorgung.

Schaltregler haben eine Eingangsimpedanz ZIN. Diese muss höher sein, als die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters ZOF. Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt diese beiden Impedanzen.

Beim Filterentwurf müssen also beide Impedanzen berücksichtigt werden. Die Entwurfsarbeit erleichtert eine neue Funktion in LTpowerCAD, einem Werkzeug für die Schaltreglerberechnung. Das Tool kann kostenfrei bei Analog Devices heruntergeladen werden. Es hat sich seit fast zehn Jahren als nützliches Hilfsmittel beim Entwurf von Schaltreglern etabliert.

Hilfsmittel für das Filterdesign in Schaltreglern

Aktuell wurde in LTpowerCAD die Funktion eines Filterdesigners hinzugefügt. Insbesondere die kritischen, leitungsgebundenen Gleichtaktstörungen hängen nicht besonders stark von parasitären Effekten ab, sodass sie sich zuverlässig berechnen lassen. Das Ergebnis spiegelt die Realität sehr gut wider.

Bild 2 zeigt die Berechnung eines Schaltreglers mit LTpowerCAD in Interaktion mit einem optimierten eingangsseitigen Filter.

Wie bereits erwähnt, ist aber nicht nur das Unterschreiten gewisser Grenzwerte beim Filterentwurf wichtig, sondern auch die Stabilität der gesamten Schaltung, die aus Schaltregler und Filter besteht. Hierzu müssen die in Bild 1 gezeigten Impedanzen aneinander angepasst werden.

Die Ausgangsimpedanz des Filters ZOF (Impedance Output Filter) muss kleiner sein als die Eingangsimpedanz des Filters ZIN (Impedance Input Power Supply). Um dies sicher zu stellen, bietet LTpowerCAD diese Berechnung und Darstellung in einem Diagramm wie es in Bild 3 zu sehen ist.

Fazit: Bisher gab es zum Entwurf von Schaltreglern Berechnungswerkzeuge sowie Simulationswerkzeuge. Die Möglichkeit, mit einem Berechnungs-Tool auch die passenden Filter zu kalkulieren, ist neu und eignet sich gut, um leitungsgebundene Störungen bei Schaltreglern zu minimieren.

Quick Guide LTpowerCAD

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

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