Power-Tipp Weniger Störungen: Wie Sie Ihre Schaltregler synchronisieren

Von Frederik Dostal *

Auch mit vielen Schaltreglern auf einer Leiterplatte gelingt ein störungsarmer Systementwurf. Neben Optimierungen durch die gezielte Wahl der einzelnen Wandler, des Platinen-Layouts und verschiedene Filter, ist ein zusätzlicher Taktgeber hilfreich.

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Bild 1: Verschiedene Schaltregler an einer 12-V-Versorgungsschiene.
Bild 1: Verschiedene Schaltregler an einer 12-V-Versorgungsschiene.
(Bild: ADI)

Heute benötigen die meisten elektronischen Schaltungen verschiedene Versorgungsspannungen. Vor 20 Jahren reichte eine generelle Versorgungsspannung von 5 V für TTL-Logik und alles Weitere in einem System.

Heute werden 2,5 V für das I/O eines Mikrocontrollers, 0,9 V für die Core-Spannung und 3,3 V für einen Sensor benötigt. Hinzu kommen noch verschiedene Spannungen für Schnittstellen wie beispielsweise 5 V für USB. Heute nutzt man Schaltregler, um die einzelnen DC/DC-Wandlungsstufen mit höchster Energieeffizienz zu betreiben. Bild 1 zeigt ein typisches Spannungswandler-System.

Werden mehrere Schaltregler mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen in einem System genutzt, sieht man im Frequenzspektrum nicht nur die jeweilige Grundfrequenz mit ihren Vielfachen, sondern auch Schwebungsfrequenzen, welche dem Frequenzunterschied der verschiedenen Schaltreglerfrequenzen entsprechen.

Um die vielen abgestrahlten und auch leitungsgebundenen Störungen am Eingang der Schaltregler in den Griff zu bekommen, empfiehlt es sich, die verschiedenen Schaltregler im System miteinander zu synchronisieren.

Bild 2: Abwärtswandler erzeugen eingangsseitig gepulste Ströme.
Bild 2: Abwärtswandler erzeugen eingangsseitig gepulste Ströme.
(Bild: ADI)

Dazu haben viele DC/DC-Wandler-ICs einen ‚Sync‘-Pin, an welchen ein Taktsignal angelegt werden kann. Mit einer internen PLL (Phase Locked Loop) richtet sich die Schaltfrequenz des jeweiligen DC/DC-Wandlers nach dieser zugeführten Frequenz (Bild 2).

Schaltregler synchronisieren: So erzeugen Sie das Taktsignal

Das ist eine schöne Lösung, es stellt sich nur die Frage, wie dieses Taktsignal erzeugt wird? Da Abwärtswandler eingangsseitig gepulste Ströme verursachen, ist es sinnvoll, dafür zu sorgen, dass nicht alle Schaltregler gleichzeitig Strom aus der Versorgungsquelle ziehen.

Ein Phasenversatz auf dem externen ‚Sync‘-Taktsignal schafft hier Abhilfe. Dadurch werden die leitungsgebundenen Störungen auf der Eingangsseite der Schaltregler stark reduziert.

Ein kleiner Taktgeberbaustein, welcher die Steuerung der ‚Sync‘-Pins von vielen Schaltreglern in einem System übernimmt, ist der LTC6902. Dieser Taktbaustein kann einen Takt zwischen 100 kHz und 20 MHz vorgeben, die ‚Sync‘-Pins von bis zu vier Schaltreglern getrennt mit Phasenversatz ansteuern und bei Bedarf sogar ein optionales SSFM (Spread Spectrum Frequency Modulation) einbringen, um einzelne Spitzen im Frequenzplot zu reduzieren. In einigen Anwendungen ist dieser Trick sinnvoll, um verschiedene EMV-Spezifikationen zu erfüllen.

Bild 3 zeigt die Spannungsversorgungsarchitektur aus Bild 1 mit dem Multiphasen-Oszillator LTC6902. Er wird von einer 5-V-Spannung versorgt, die von einem 12 nach 5 V DC/DC-Wandler erzeugt wird. Üblicherweise ist es für Schaltregler kein Problem, wenn sie erst selbstständig mit ihrem eigenen internen Oszillator anlaufen und dann mit einem externen Takt versorgt werden. Details finden sich in den Datenblättern der jeweiligen Schaltregler.

Bild 3: Eine Lösung für das Taktproblem mit einem externen Taktgeberbaustein.
Bild 3: Eine Lösung für das Taktproblem mit einem externen Taktgeberbaustein.
(Bild: ADI)

Fazit: Auch mit vielen Schaltreglern auf einer Platine kann so ein störungsarmer Systementwurf gelingen. Neben den üblichen Optimierungsmöglichkeiten, wie der Auswahl der einzelnen Schaltregler-ICs, der Optimierung des Platinen-Layouts und dem Hinzufügen von verschiedenen Filtern, kann also auch ein zusätzlicher Taktgeber sehr hilfreich sein.

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

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