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Analog-Grundlagen

Zweistufiger Filter ergibt ein rauscharmes Netzteil

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Power-Tipps Teil 51
Power-Tipps Teil 51 (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Zahlreiche rauscharme Applikationen verlangen von der Stromversorgung eine Spannungswelligkeit von weniger als 0,1 % der Ausgangsspannung. Dies kann dazu führen, dass Filter mit einer Abschwächung von deutlich über 60 dB erforderlich sind, die sich allerdings mit nur einer Filterstufe praktisch nicht realisieren lassen.

Im folgenden Beispiel geht es um einen Abwärtswandler mit einer Schaltfrequenz von 570 kHz , einer Eingangsspannung von 12 V und einem für 3 V und 5 A ausgelegten Ausgang, dessen Spannungswelligkeit maximal 100 µVpp (40 dBµVpp) betragen darf. Die Schaltfrequenz schlägt mit rund 5 Vpp (135 dB µVpp) an den Ausgang durch. Die deshalb erforderliche Abschwächung von 95 dB erfordert einen zweistufigen Filter, denn ein einstufiger Filter kommt infolge der parasitären Effekte der verwendeten passiven Bauelemente auf nicht mehr als 60 dB. Ist die Entscheidung zugunsten eines zweistufigen Filters (Bild 1) einmal gefallen, müssen die Eckfrequenzen der Filter und die zu verwendenden Bauelemente festgelegt werden.

Bild 1: Mit diesem zweistufigen Filter wird eine gut bedämpfte Abschwächung um 90 dB erreicht (Bild: TI) Bild 1: Mit diesem zweistufigen Filter wird eine gut bedämpfte Abschwächung um 90 dB erreicht (Bild: TI)

Bei diesem Konzept wird die Ausgangsdrossel L1 zunächst wie bei jedem Abwärtswandler anhand des zulässigen Ripple-Stroms gewählt. Den ersten Filterkondensator C1 dimensioniert man außerdem so, dass sich eine Abschwächung von 60 dB einstellt. Die zweite Stufe wird demgegenüber stark bedämpft und steuert eine eher moderate Abschwächung von 35 dB bei. Das Kapazitätsverhältnis zwischen der ersten (C1) und der zweiten Stufe (C2) wird auf 1:10 eingestellt. Man erreicht hiermit verschiedene Dinge:

 

    • 1. Die Resonanzfrequenzen beider Filterstufen liegen weit auseinander.
    • 2. Der geringe Wellenwiderstand der zweiten Stufe erleichtert das Bedämpfen.
    • 3. Der Großteil der Ausgangskapazität ist in der zweiten Stufe angesiedelt, sodass die Auswirkungen einer zusätzlichen Lastkapazität verringert werden und ein gutes Ansprechverhalten erzielt wird.
    • 4. Minimierte Spitzen im Resonanzverhalten der zweiten Stufe erleichtern die Kompensation der Regelschleife.

Legt man als Peak-to-Peak-Ripple-Strom in der Drossel der ersten Stufe einen Wert von 1 A, also 20 % des Nenn-Ausgangsstroms fest, muss die Ausgangsdrossel L1 eine Induktivität von 6,8 µH haben, was bei der Schaltfrequenz eine Impedanz von 24 Ω ergibt. Damit die erste Stufe eine Abschwächung von 60 dB ergibt, muss die Impedanz des Kondensators C1 bei der Schaltfrequenz ungefähr 24 mΩ betragen, was einem Kapazitätswert von rund 10 µF entspricht.

Gemäß dem vorab festgelegten Kapazitätsverhältnis von 1:10 zwischen der ersten und der zweiten Stufe muss C2 folglich 100 µF betragen, was eine Impedanz von 2,8 mΩ bei der Schaltfrequenz ergibt. Die Drossel der zweiten Stufe (L2) wird so gewählt, dass sie ihre Abschwächungswirkung etwas größer ist als die geforderten 35 dB, denn die zweite Stufe wird durch RD bedämpft. Für eine Abschwächung von 40 dB wird eine Impedanz von 240 mΩ und somit eine Induktivität von 68 nH benötigt. Um etwas Spielraum zu haben, entschied ich mich hier für 220 nH. Schließlich sollte die zweite Stufe bedämpft werden. Der Dämpfungswiderstand RD ist zunächst so zu wählen, dass sein Widerstandswert der Drosselimpedanz der zweiten Stufe bei der Schaltfrequenz entspricht.

Bild 2: Mit dieser Schaltung wird das Welligkeitsverhalten simuliert (Bild: TI) Bild 2: Mit dieser Schaltung wird das Welligkeitsverhalten simuliert (Bild: TI)

An dieser Stelle lohnt es sich, P-SPICE ins Spiel zu bringen, um festzustellen, wie sich die Werte der Bauelemente auf die Performance auswirken. Mit P-SPICE kann nicht nur die Welligkeit des Filters im Zeitbereich simuliert werden, sondern auch die Eigenschaften der Regelschleife lassen sich im Frequenzbereich nachbilden, wie schon im Power-Tipp Nr. 50 gezeigt wurde. Im Schaltbild für die Welligkeits-Simulation (Bild 2) erkennt man sofort die Filterbauteile und den Verbraucher. Der Abwärtswandler wird durch die zwei Spannungsquellen U1 und U2 simuliert. Während U2 im gesamten Filter die Anfangsbedingung von 3 V einstellt, simuliert U1 das Schalten der Leistungsstufe. Die auf 1,75 µs eingestellte Schaltperiode entspricht ungefähr der Schaltfrequenz von 570 kHz. Das On-Intervall ist auf exakt 25 % eingestellt.

Bild 3: Die Simulationsergebnisse korrelieren gut mit den Resultaten der manuellen Berechnungen (Bild: TI) Bild 3: Die Simulationsergebnisse korrelieren gut mit den Resultaten der manuellen Berechnungen (Bild: TI)

Die in Bild 3 dargestellten Simulationsergebnisse ähneln den Resultaten der ersten Berechnungen. Verbessern lässt sich die Simulation, indem man die parasitären Komponenten einbezieht. Neben den effektiven Serienwiderständen und induktiväten der Kondensatoren handelt es sich hierbei um den Kapazitätsbelag der Drosseln. Sie werden feststellen, dass es nicht ohne zusätzliche Filtermaßnahmen geht, sobald man die effektive Serieninduktivität von C2 berücksichtigt.

Die Simulation ist übrigens nicht ganz ernst gemeint, denn es würde geradezu heroische Anstrengungen erfordern, das Ausgangsrauschen eines Schaltwandlers auf eine Größenordnung von 100 µV zu reduzieren. Nicht nur die parasitären Elemente der Filterbauteile, sondern auch induktive oder kapazitive Kopplungen in die zweite Filterstufe könnten dazu führen, dass die simulierte Abschwächung in der Praxis deutlich geringer ausfällt. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die zweite Filterstufe ebenso wie der Verbraucher vom übrigen System abgeschirmt werden muss. Auch der Einsatz von Durchführungs-Kondensatoren mit minimalen ESL-Werten ist zu erwägen.

Zusammenfassend kann P-SPICE als guter Ausgangspunkt für das Design eines zweistufigen Filters am Ausgang eines Netzteils bezeichnet werden. Der vorliegende Artikel beschrieb, wie sich mithilfe einer Simulation im Zeitbereich eine Prognose über die zu erwartende Welligkeit anstellen lässt. Die vorgeschlagene Designstrategie sieht ein Maximieren der Kapazität in der zweiten Filterstufe und ein Bedämpfen dieser Stufe vor. Der im kommenden Monat folgende Beitrag wird zeigen, wie sich mit dieser Strategie ein breitbandiges Netzteil realisieren lässt und wie sich die Auswirkungen zusätzlicher Kapazitäten minimieren lassen, die vom Kunden möglicherweise an den Netzteilausgang angeschlossen werden.

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