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Wie Sie den Messaufbau einer Spannungsversorgung optimieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Dieser Power-Tipp gibt Hinweise, wie Sie eine Spannungsversorgung entwerfen und testen. Welche Aspekte Sie beim Evaluieren unbedingt beachten sollten, lesen Sie im Beitrag.

Bevor sich ein Entwickler für eine Spannungsversorgung entscheidet, wird er diese genau testen wollen. Das Datenblatt eines Schaltregler-ICs gibt viele wertvolle Hinweise dazu, wie sich die fertige Spannungsversorgung verhalten könnte. Abschließende Gewissheit zum jeweiligen Verhalten wird allerdings noch immer durch das Testen einer Schaltung im Labor erreicht.

Schaltungssimulatoren wie beispielsweise LTspice sind durchaus sinnvoll und können bei der Schaltungsoptimierung helfen. Eine Simulation ersetzt das Testen von Hardware jedoch nicht. Hierzu sind Einflüsse von parasitären Effekten entweder schwierig abzuschätzen oder nur aufwändig zu simulieren.

Spannungsversorgungen werden also im Labor gründlich überprüft. Dazu verwenden Entwickler entweder einen selbst entwickelten Prototyp oder – in den meisten Fällen – ein existierendes Evaluierungsboard vom Hersteller des jeweiligen Spannungsversorgungs-ICs.

Bild 1: Anschlüsse zum Betrieb einer Spannungsversorgung
Bild 1: Anschlüsse zum Betrieb einer Spannungsversorgung (Bild: Analog Devices)

Beim Anschluss der zu testenden Schaltung gibt es einiges zu beachten. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Testaufbau. Die Spannungsversorgung muss mit einer Versorgungsspannung auf der Eingangsseite sowie einer Last an der Ausgangsseite verbunden werden. Das klingt trivial, im Detail gibt es jedoch wichtige Aspekte zu berücksichtigen.

Leitungsinduktivitäten minimieren

Kehren wir zurück zu dem in Bild 1 gezeigten Aufbau zum Evaluieren eines Spannungswandlers. Wir wollen das Verhalten der Spannungsversorgungsschaltung testen und nicht den Einfluss der Verbindungsleitungen zwischen dem zu testenden Board und der Laborstromversorgung beziehungsweise der Last am Ausgang.

Um die Effekte dieser Verbindungsleitungen zu reduzieren, gibt es zwei wichtige Maßnahmen. Zum einen sollten möglichst kurze Verbindungsleitungen verwendet werden. Diese haben eine geringere Leitungsinduktivität als lange Leitungen. Um die parasitäre Induktivität weiter zu verringern, muss die eingeschlossene Fläche in den Strompfad minimiert werden.

Bild 2: Praktischer Betriebsaufbau mit verdrillten, kurzen Leitungen
Bild 2: Praktischer Betriebsaufbau mit verdrillten, kurzen Leitungen (Bild: Analog Devices)

Um dies sicher zu stellen, bietet es sich an, die Leitungen miteinander zu verdrillen. Dadurch ist die eingeschlossene Fläche nur noch von der Leitungslänge und der Dicke des Kabelmantels der Leitungslitze abhängig. Bild 2 zeigt den Anschluss eines zu testenden Spannungswandlers mit verdrillten Anschlussleitungen, die die parasitären Leitungsinduktivitäten reduzieren.

Bei Spannungsversorgungen mit Schaltreglern hat man sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite AC-Ströme. Je nach Schaltungstopologie kann an der Eingangsseite ein gepulster Strom auftreten, beispielsweise bei Abwärtswandlern (Buck-Reglern). Zusätzlich müssen das Start-Up-Verhalten und der Betrieb unter Lasttransienten getestet werden. Unter diesen Betriebszuständen führen die Verbindungsleitungen des Testaufbaus ebenfalls AC-Ströme.

Lokalen Energiespeicher hinzufügen

Wenn eine Spannungsversorgung darauf getestet wird, wie schnell sie auf Lasttransienten reagieren kann, muss am Eingang der Spannungsversorgung unbedingt genügend Energie zur Verfügung stehen. Die Versorgung der Spannungsversorgung soll nicht der limitierende Faktor sein.

Daher empfiehlt es sich einen größeren ‚Bulk‘-Kondensator direkt an den Eingang der Spannungsversorgung zu setzen. Dieser ist in Bild 1 in grün eingezeichnet. Er stellt sicher, dass Lasttransiententests ordnungsgemäß durchgeführt werden können.

Sie sollten jedoch darauf achten, dass der spätere Einsatz der Spannungsversorgung auch ganz bestimmten Gegebenheiten unterliegt. Man sollte den Effekt des Energiespeichers am Eingang jedoch gut verstehen, um den Eingangskondensator der Spannungsversorgung richtig zu dimensionieren.

Ein weiterer Aspekt des ‚Bulk‘-Kondensators in Bild 1 ist ebenfalls zu beachten: Wenn Spannungstransienten am Eingang der zu testenden Spannungsversorgung angelegt werden sollen, um das Verhalten der Spannungsversorgung zu testen, würde der ‚Bulk‘-Kondensator die Spannungstransienten deutlich verlangsamen. Bei solchen Tests müssen Sie den Kondensator entfernen.

Fazit: Selbst bei scheinbar einfachen Aspekten des Entwurfs einer Spannungsversorgung, wie dem Anschließen einer Schaltung auf dem Labortisch, gibt es einiges zu beachten. Befolgen Sie die Hinweise in diesem Artikel, steht dem eigentlichen Evaluieren allerdings nichts mehr im Weg.

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

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