Störungen eines Schaltreglers mit einem LC-Filter reduzieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Ein zusätzliches Filtern auf der Eingangsseite der Stromversorgung ist für empfindliche Schaltungen sinnvoll. In diesem Power-Tipp beschreiben wir, warum dies bei Buck-Reglern besonders wichtig ist.

Um die Störungen eines Schaltreglers zu reduzieren, können verschiedene Filter eingesetzt werden. Besonders eignet sich für diesen Zweck ein LC-Filter, welcher mit einer Induktivität in Serie und einem Kondensator von der Spannung nach Masse ausgeführt ist.

Das LC-Glied erzeugt im Frequenzbereich eine Doppelpolstelle. Je nach Auswahl der Werte für L und C kann die Eckfrequenz des Filters, also die Doppelpolstelle, so gesetzt werden, dass die Störungen, die durch die Schaltfrequenz sowie durch die Schaltübergänge in einem Schaltregler erzeugt werden, gefiltert werden. Das zusätzliche LC Glied, also der Filter, bildet einen Tiefpass.

Wenn es in empfindlichen elektrischen Systemen Probleme mit Störungen gibt, die von einer getakteten Stromversorgung verursacht werden, wird häufig ein Filter wie in Bild 1 verwendet. Die Ausgangsspannung der Stromversorgung wird durch den LC-Filter, bestehend aus L2 und C3, gesäubert.

Gedämpft werden hochfrequente Anteile, die durch die Schaltfrequenz und durch die Schaltübergänge erzeugt werden. Die Schaltfrequenz generiert üblicherweise Frequenzen zwischen 50 und 200 MHz, die Schaltübergänge erzeugen üblicherweise Frequenzen im Bereich zwischen 500 kHz bis 3 MHz.

Für den erfolgreichen Einsatz eines zusätzlichen Filters ist es entscheidend, an welcher Stelle dieser Filter eingebracht wird. Intuitiv setzt der Entwickler diesen Filter zwischen den Schaltregler und die empfindliche, zu versorgende Last. Also beispielsweise zwischen den Schaltregler und den Operationsverstärker oder den A/D-Wandler eines Systems.

Das ist auch richtig, da jede Art von Spannungswelligkeit am Ausgang des Schaltreglers an Knoten A (Bild 1) vom LC-Filter verkleinert wird und somit an Knoten B, welcher die empfindliche Last versorgt, eine viel sauberere Spannung bereitstellt.

Wenn die getaktete Stromversorgung einen Abwärtswandler in der ‚Buck‘-Topologie enthält, können die Störungen in der gesamten Schaltung noch viel stärker reduziert werden. Dazu wird der LC-Filter jedoch an die Eingangsseite der getakteten Stromversorgung gesetzt. Dies ist in Bild 2 dargestellt.

Störungen bei Buck-Topologien viel stärker reduzieren

Der Grund ist, dass ein Schaltregler in ‚Buck‘-Topologie ausgangsseitig nur geringe Störungen aufweist. Hier ist die Induktivität L1 in Serie mit der Ausgangsspannung geschaltet, also dem Knoten A in Bild 1. Somit führt dieser Knoten zwar eine gewisse Strom- und Spannungswelligkeit, diese ist jedoch sehr gering. Bei derartigen Schaltreglern liegen die Amplituden der Welligkeit bei nur einigen mA, je nach Wahl des Ausgangskondensators C2 und Induktivität L1.

Eingangsseitig erzeugt ein ‚Buck‘-Regler sehr gravierende Störungen. Ist der Schalter S1 offen, fließt kein Strom in die Stromversorgung. Ist der Schalter geschlossen, fließt der volle Strom in die Schaltung. Der Eingangskondensator C1 hilft, diese wechselnden Ströme zu mitteln. Dennoch ist die Eingangsseite eines Buck-Wandlers sehr viel störungsbehafteter als die Ausgangsseite.

Eingangsseitige Störungen sind zwar nicht direkt mit der empfindlichen Last verbunden, in üblichen Schaltungen gibt es jedoch viele Einkopplungen auf die Platine. Der Leitungspfad zum Schaltregler wird häufig über längere Strecken auf der Leiterplatte geführt. Hier können diese schnell wechselnden Ströme induktiv auf andere Leitungspfade einkoppeln und Störungen in die empfindlichen Schaltungsteile einspeisen.

Die Tatsache, dass ein eingangsseitiger Filter effektiver wirken kann als ein ausgangsseitiger Filter, ist eine Besonderheit der ‚Buck‘-Topologie. Andere Topologien, wie beispielsweise ‚Boost‘ und auch Sperrwandler (Flyback) sind auch auf der Ausgangsseite recht störbehaftet.

Ein zusätzliches Filtern der Energieversorgung ist für empfindliche Schaltungen sinnvoll. Speziell bei Buck-Reglern sollte besonders die Eingangsseite der Stromversorgung für bestmögliche Ergebnisse berücksichtigt werden.

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

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