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SEPIC-Wandler: So minimieren Sie die Abstrahlung

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

SEPIC-Wandler: Vorsicht vor Hot Loops. Sie erhöhen die Störstrahlung.
SEPIC-Wandler: Vorsicht vor Hot Loops. Sie erhöhen die Störstrahlung. (Bild: VCG)

Bei SEPIC-Wandlern bestimmen kritische Strompfade, sogenannte Hot Loops, das EMV-Verhalten. Wie Sie die Störstrahlung minimieren, zeigt dieser Power-Tipp.

Jeder Schaltregler zur Spannungswandlung verursacht Störungen. Diese sind teilweise leitungsgebunden an der Ein- und Ausgangsseite des Spannungswandlers vorhanden, teilweise werden sie aber auch abgestrahlt. Derartige Störungen werden hauptsächlich durch die schnellen Schaltflanken verursacht. Die Schaltflanken dauern bei modernen Schaltreglern nur wenige Nanosekunden.

Bei SiC- oder GaN-Schaltern sind die Schaltübergänge besonders kurz. Bild 1 zeigt Schaltübergänge von ungefähr 1 ns. Die zugrunde liegende Frequenz sollte nicht mit der Schaltfrequenz eines Schaltreglers verwechselt werden. Die in Bild 1 gezeigten Schaltflanken sollten möglichst kurz sein, um Schaltverluste zu minimieren.

Um eine Leiterplatte zu entwerfen, bei der die abgestrahlten Störungen so niedrig wie möglich sind, müssen die sogenannten ‚hot loops‘ eines Schaltregler so klein wie möglich sein. Mit anderen Worten, es sollten so wenig parasitäre Induktivitäten wie möglich auftreten.

Um den Einfluss von schnell geschalteten Strömen zu verdeutlichen, berechnen wir ein Beispiel. Wenn ein Strom von 1 A innerhalb von 1 ns zu- und abgeschaltet wird und in diesem Strompfad eine parasitäre Induktivität von 20 nH liegt, erzeugt man einen Spannungsversatz von 20 V. Dies ergibt sich aus Gleichung 1.

U = L * di/dt

Ein Spannungsversatz von 20 V durch eine parasitäre Induktivität von nur 20 nH im kritischen Strompfad ist die Ursache für erzeugte Störungen. Um diese zu minimieren, müssen Sie die parasitäre Induktivität also so klein wie möglich halten.

Bei Abwärtswandlern (Buck-Reglern) muss der Eingangskondensator so nah wie möglich am High-Side-Schalter und an der Masseverbindung des Low-Side-Schalters liegen. Bei monolithischen, synchronen Abwärtswandlern bedeutet dies, dass der Eingangskondensator mit Uin und GND des Schaltregler-ICs verbunden ist. Sind diese Verbindungen mit so wenig Induktivität wie möglich ausgeführt, ist der erzeugte Spannungsversatz und damit die Störstrahlung minimiert.

Wie verhält sich dieses Konzept bei Schaltreglern mit der SEPIC-Topologie? SEPIC-Wandler sind durchaus beliebt, da sie aus einer positiven Spannung eine ebenfalls positive Spannung erzeugen, die oberhalb oder unterhalb der Versorgungsspannung liegen kann. Es handelt sich dabei also um eine Buck-Boost-Konfiguration. In Bild 2 ist diese Topologie skizziert. Zusätzlich zur Abwärtswandler-Topologie sind eine zweite Induktivität sowie ein Koppelkondensator erforderlich.

Da die SEPIC-Topologie ebenfalls ein Schaltregler ist, gibt es auch hier schnell geschaltete Ströme.

Auch hier müssen die ‚Hot Loop‘-Strompfade so kurz wie möglich ausgeführt werden, um die erzeugten Störungen so gering wie möglich zu halten. Dazu müssen Sie jeden Pfad des Schaltreglers betrachten. Führt ein Leiter kontinuierlich Strom oder nur während des Ein- und Ausschaltens? In Bild 2 sind alle Leitungen blau gekennzeichnet, wo sich der Stromfluss mit den schnellen Schaltübergängen ändert. Diese Pfade sind also die kritischen ‚Hot Loop‘-Pfade und müssen mit so wenig parasitärer Induktivität wie möglich erstellt werden. In diese Pfade dürfen also keine Durchkontaktierungen (Vias) oder unnötig lange Verbindungsleitungen eingefügt werden.

Fazit: Auch SEPIC-Wandler haben kritische ‚Hot Loops‘, die das EMV-Verhalten bestimmen. Wenn diese ‚Hot Loops‘ geschickt mit einer sehr geringen parasitären Induktivität ausgeführt werden, erzeugt man nur einen geringen Spannungsversatz und dadurch wenig Störstrahlung, die abgestrahlt wird. Bei SEPIC-Wandlern ist nicht der Eingangskondensator kritisch, sondern es sind die Strompfade (Bild 2).

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

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