Störungen im Schaltregler mit einer Schottky-Diode reduzieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Synchrone Schaltregler bieten viele Vorteile, haben aber einen wesentlichen Nachteil: Sie verursachen höhere Störungen. In diesem Power-Tipp stellen wir eine Möglichkeit vor, wie man die Totzeit und Reverse Recovery minimiert.

Bei POL-Abwärtswandlern haben sich heute synchrone Varianten, also mit einem aktiven oberen Schalter, sowie Versionen mit einem aktiven unteren Schalter etabliert. Bild 1 zeigt eine solche Schaltung mit idealen Schaltern.

Derartige Schaltregler haben mehrere Vorteile gegenüber Versionen mit einer passiven Schottky-Diode als unterem Schalter. In erster Linie wird die Effizienz der Spannungswandlung erhöht, da während der Zeit, in der der untere Schalter Strom führt, eine geringere Abfallspannung auftritt als mit passiver Diode.

Synchrone Abwärtswandler können jedoch stärkere Störungen verursachen als nicht synchrone Schaltregler. Wenn in Bild 1 beide idealen Schalter auch nur einen kurzen Moment gleichzeitig eingeschaltet sind, ergibt sich ein Kurzschluss von der Eingangsspannung nach Masse.

Durch einen solchen Kurzschluss könnten die Schalter zerstört werden. Es muss also unter allen Umständen sichergestellt werden, dass beide Schalter niemals gleichzeitig eingeschaltet sind.

Aus Sicherheitsgründen ist daher eine Zeit notwendig, in der beide Schalter abgeschaltet sind. Diesen Zustand nennt man bei Schaltreglern ‚Totzeit‘. Es ist jedoch eine stromführende Induktivität L1 vom Schaltknoten zur Ausgangsspannung verschaltet.

Der Stromfluss durch eine Induktivität kann niemals schlagartig verändert werden. Der Strom kann kontinuierlich ansteigen und abfallen, er kann aber nicht ‚springen‘. Aus diesem Grund gibt es während der Totzeit hier ein Problem.

Alle Stromflusspfade sind an der Schaltknotenseite unterbrochen. Mit idealen Schaltern, wie in Bild 1 dargestellt, würde sich während der Totzeit eine Spannung am Schaltknoten von minus unendlich ergeben. Bei reellen Schaltern würde die Spannung soweit negativ werden, bis einer der beiden Schalter durchschlägt und leitend wird.

Die meisten Schaltregler nutzen N-Kanal MOSFETs als aktive Schalter. Diese haben bei der soeben beschriebenen Situation eine sehr vorteilhafte Eigenschaft. Ein MOSFET besitzt zusätzlich zur eigentlichen Schalterfunktion noch eine sogenannte Bodydiode. Das ist ein PN-Übergang im Halbleiter zwischen Source und Drain.

In Bild 2 sind MOSFETs mit den entsprechenden PN-Übergängen eingesetzt. Somit wird der Schaltknoten auch während der Totzeit nicht auf einen Spannungswert von minus unendlich sinken, sondern der PN-Übergang des unteren MOSFETs (in Rot dargestellt) wird den Stromfluss führen, bis die Totzeit vorbei und der untere MOSFET eingeschaltet ist.

Die Bodydioden der entsprechenden MOSFETs haben jedoch einen entscheidenden Nachteil. Sie schalten sehr langsam aufgrund eines Effekts, der sich Reverse Recovery nennt. Während dieser Zeit sinkt die Spannung am Schaltknoten, bedingt durch die Induktivität L1, auf mehrere Volt unter Masse ab. Diese schnellen negativen Spannungsspitzen am Schaltknoten verursachen Störungen, welche sich kapazitiv auf andere Schaltungsteile koppeln können.

Um diese Störungen zu minimieren, kann eine zusätzliche Schottky Diode, wie in Bild 2 gezeigt, eingesetzt werden. Sie hat im Vergleich zur Bodydiode des unteren MOSFET keine „Reverse Recovery“-Zeit und übernimmt den Stromfluss sehr schnell nach dem Beginn der Totzeit. Somit fällt die Spannung am Schaltnoten viel weniger stark ab. Es werden nur geringere Störungen erzeugt und durch Kopplungseffekte in der Schaltung verteilt.

Die Schottky-Diode kann von der Bauform her recht klein ausgelegt sein, da sie nur während kurzer Zeiträume, nämlich während der Totzeit, Strom führt. Somit erwärmt sie sich nicht sonderlich stark und kann dadurch in einem kleinen, günstigen Gehäuse stecken.

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

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45056395 / Power-Tipps)