Störminimierung bei Schaltreglern

 Bild 1: Die elementaren Schaltungsteile eines Schaltreglers bieten reichliche Angriffsflächen für die Störeinkopplung. Bild 1: Die elementaren Schaltungsteile eines Schaltreglers bieten reichliche Angriffsflächen für die Störeinkopplung.

So zeigt das Blockschaltbild in Bild 1 den störempfindlichen Schaltungsteil innerhalb eines Schaltreglers. Hier wird die Ausgangsspannung mit einer Referenz verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird schließlich mit einer Rampe verglichen, um ein PWM-Signal zum Ansteuern der Leistungsstufe zu erzeugen.

Störungen können dabei in drei Bereichen eingekoppelt werden, nämlich in den Ein- und Ausgang des Fehlerverstärkers, in die Referenz und in das Rampensignal. Ein sorgfältiges Design dieser drei Bereiche kann dazu beitragen, die Entwicklungs- und Erprobungszeiten zu minimieren.

Da die normalen Spannungspegel in diesen Bereichen recht klein sind, kann es dort leicht zu kapazitiven Einkoppelungen von Signalen mit großen Spannungsänderungsgeschwindigkeiten kommen. Bei einem guten Design sind die störempfindlichen Schaltungsteile deshalb auf kleinstem Raum und entfernt von schnell schaltenden Signalen angeordnet. Zusätzlich kann eine Schirmung durch Masseflächen erzielt werden.

Der Eingang ist ein empfindlicher Knotenpunkt des Schaltreglers

Der Eingang des Fehlerverstärkers ist wahrscheinlich der empfindlichste Knotenpunkt im gesamten Schaltregler, da er gewöhnlich mit den meisten Bauelementen verbunden ist. Kommt noch eine sehr hohe Verstärkung und eine hohe Impedanz dazu, ist das Fiasko beinahe vorprogrammiert. Im Layout muss die Länge der Leiterbahnen an diesem Knotenpunkt minimiert werden.

Das heißt, die Bauelemente im Gegenkopplungs- und Eingangszweig müssen möglichst nahe am Fehlerverstärker angeordnet sein. Befindet sich ein Hochfrequenz-Integrationskondensator in der Gegenkopplung, sollte auch dieser nahe am Verstärker liegen, gefolgt von den anderen Gegenkopplungs-Bauelementen.

Werden im Kompensationsnetzwerk RC-Serienschaltungen verwendet, erzielt man die besten Ergebnisse, wenn der Widerstand zum Eingang des Fehlerverstärkers hin angeordnet wird. Eingekoppelte hochfrequente Signale müssen dann gegen die hohe Impedanz des Widerstands „ankämpfen“ und nicht gegen die niedrige Impedanz des Kondensators.

Problembereich für eine Störeinkopplung ist das Rampensignal

Ein weiterer möglicher Problembereich für die Störeinkopplung ist das Rampensignal. Dieses wird bei Voltage-Mode-Reglern aus der Ladespannung eines Kondensators und bei Current-Mode-Reglern aus dem gemessenen Strom durch den Power-MOSFET im Schaltregler abgeleitet. Voltage-Mode ist diesbezüglich unkritischer, da der Kondensator gegenüber injizierten Hochfrequenzstörungen eine niedrige Impedanz darstellt und diese somit quasi kurzschließt. Current-Mode-Regler sind dagegen wegen der relativ kleinen Rampenamplituden, die zusätzlich durch parasitäre Komponenten im Leistungskreis und durch Stromspitzen im Umschaltmoment verfälscht werden, problematisch.

 Bild 2a: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Stromspitzen Bild 2a: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Stromspitzen

Bild 2 zeigt zwei Beispiele für die Probleme bei Current-Mode-Spannungswandlern. Im ersten Signalverlauf sind die großen Stromspitzen nach dem Einschalten des Power-MOSFETs deutlich zu erkennen.

Dieses Problem lässt sich am besten durch Ausblenden dieser Stromspitze und durch HF-Filterung am bzw. im Regel-IC lösen. Auch hier sollte man den Filterkondensator möglichst nahe am Regel-IC positionieren.

 

 

 Bild 2b: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Subharmonische Bild 2b: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Subharmonische

Ein weiteres verbreitetes Problem ist die Anregung von subharmonischen Schwingungen, die in beiden Signalverläufen zu erkennen ist. PWM-Signale mit ständig wechselnder Pulsbreite sind ein Indiz für eine unzulängliche Kompensation der Stromrampe – insbesondere bei beabsichtigten Tastverhältnissen größer 50%. Dies lässt sich beheben, wenn man zur Stromrampe eine zusätzliche Spannungsrampe addiert.

Nun sind Sie bei Ihrem Layout wirklich mit aller Sorgfalt vorgegangen – aber Ihr Prototyp arbeitet immer noch nicht störungsfrei. Kontrollieren Sie zunächst das dynamische Verhalten des Regelkreises, um Instabilitäten als Problemursache auszuschließen. Interessanterweise kann sich ein Störproblem wie eine Instabilität bei der Transitfrequenz des Schaltreglers bemerkbar machen. Tatsächlich aber ist es so, dass der Regelkreis versucht, ein injiziertes Fehlersignal so schnell wie möglich zu korrigieren. Man braucht sich nur ins Gedächtnis zu rufen, dass die Störungen in die drei Bereiche Fehlerverstärker, Referenz oder Rampe injiziert werden können.

In einem ersten Schritt werden deshalb die Signale an den entsprechenden Knotenpunkten betrachtet. Suchen Sie nach offensichtlichen Nichtlinearitäten in der Rampe und nach hochfrequenten Abweichungen im Ausgangssignal des Fehlerverstärkers. Ist hier nichts Ungewöhnliches zu finden, dann entfernen Sie den Fehlerverstärker aus der Schaltung und ersetzen ihn durch eine rauschfreie Laborspannungsquelle, deren Ausgang Sie im entsprechenden Spannungsbereich stufenlos variieren.

Mit dem Verändern dieser Spannung sollte sich ebenfalls die Ausgangsspannung ihres Schaltreglers verändern. Ist dies der Fall, haben Sie das Problem auf die Referenz und den Fehlerverstärker eingekreist.

Empfindlichkeit bei schnell schaltenden Signalen

Gelegentlich reagieren die Referenzspannungsquellen in einem Regel-IC empfindlich auf schnell schaltende Signale, was sich mit einem zusätzlichen (oder sachgemäß gewählten) Abblockkondensator beheben lässt. Auch das Verlangsamen der Schaltvorgänge des Power-MOSFETs durch Einfügen von Gate-Ansteuerwiderständen kann hilfreich sein.

Liegt das Problem im Fehlerverstärker, kann häufig ein Verringern der Impedanz der Kompensationsbauelemente helfen, da dies die Amplitude der injizierten Störung reduziert. Hilft dies alles nichts, so entfernen Sie die Bauteile des Kompensationsnetzwerkes und die Pins des Fehlerverstärkers von der Leiterplatte. Durch eine Freiverdrahtung dieses Schaltungsteiles (auch hier mit kürzest möglichen Verbindungen!) lässt sich möglicherweise feststellen, wo das Problem liegt.

Eine rauschfrei arbeitende Stromversorgung ist kein Zufall. Für die richtige Positionierung der Bauteile und das optimale Layout ist das Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung erforderlich. Auch das Einkreisen und Beheben von Störungsproblemen erfordert einiges an Laborerfahrung.

Im nächsten Power-Tipp geht es darum, wie man Eingangsfilter dämpfen kann.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

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