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© pichetw dreamstime.com Application Notes | 14 Juni 2017

Keine Spulen mehr nötig

Ein fundamentaler Grundsatz bei Schaltnetzteilen ist, dass sie nicht viel Rauschen generieren dĂŒrfen.
Dementsprechend sind rauscharme, gut geregelte Stromversorgungen in vielen Schaltungsanwendungen wichtig, um eine optimale Leistung zu erzielen. Um diese optimierte Leistung zu erreichen ist es wesentlich, jegliches Rauschen, das vom diesem Wandlungsprozess stammt, dĂ€mpfen zu können. Ein gangbarer Weg dies zu realisieren, wĂ€re einfach einen Linearregler einzusetzen. Allerdings nur eingeschrĂ€nkt, denn obwohl sie rauscharme Stromversorgungspegel generieren, ist ihr Wirkungsgrad der Wandlung bei hohen AbwĂ€rtswandelverhĂ€ltnissen nur dĂŒrftig, was zu thermischen Problemen bei der Entwicklung von Applikationen mit hohen Ausgangsströmen fĂŒhrt. NatĂŒrlich können auf magnetischen Komponenten basierende Schaltregler die ĂŒblichen thermischen Probleme abmildern, da sie ĂŒblicherweise einen hohen Wandlungswirkungsgrad haben, was zu einem einfacheren thermischen Design fĂŒhrt, wenn von der Endanwendung hohe Ausgangsströme gefordert werden. Es ist offensichtlich, dass die Komponentenauswahl und das Layout der Leiterplatte eine signifikante Rolle bei der Bestimmung des Erfolgs oder Misserfolgs von praktisch allen Stromversorgungen spielen. Diese Rahmenbedingungen legen ihre funktionelle EMI (elektromagnetische Interferenzen) und thermisches Verhalten fest. FĂŒr unerfahrene Entwickler kann das Layout einer Stromversorgung wie „Schwarze Magie“ erscheinen, es ist aber tatsĂ€chlich ein grundlegender Aspekt einer Entwicklung, der in den frĂŒhen Phasen dieses Prozesses hĂ€ufig nicht bedacht wird. Da die funktionellen Anforderungen an die EMI immer eingehalten werden mĂŒssen, was sich positiv auf die funktionelle StabilitĂ€t der Stromversorgung auswirkt, ist dies fĂŒr seine EMI-Abstrahlung ĂŒblicherweise ebenfalls positiv. Außerdem bringt ein gutes Layout von Anfang an auch keine Kosten in die Entwicklung ein und kann sogar zu Kosteneinsparungen fĂŒhren, da es die Notwendigkeit eliminiert, EMI-Filter, mechanische Abschirmungen, EMI-Testzeit und zahlreiche Platinenrevisionen aufwenden zu mĂŒssen. DarĂŒber hinaus können sich potenzielle Probleme durch Interferenzen wegen des Rauschens verschlimmern, wenn mehrere Schaltregler in einer Entwicklung verwendet werden, um mehrfache Spannungspegel zu generieren und wenn sie parallelgeschaltet werden, um sich den Strom zu teilen und eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. Wenn alle Regler bei Ă€hnlicher Frequenz in Betrieb sind (schalten), wird die kombinierte Energie, die von mehreren Schaltreglern in einer Schaltung generiert wird auf eine einzige Frequenz konzentriert. Das Vorhandensein dieser Energie kann zum Problem werden, besonders wenn die restlichen ICs auf der Baugruppe und auch die anderen Systembaugruppen nahe beieinanderliegen und empfĂ€nglich fĂŒr diese abgestrahlte Energie sind. Dies kann besonders in industrielen und Automobilen Systemen mĂŒhsam sein, die dicht gepackt sind und oft in unmittelbarer NĂ€he zu Quellen liegen, die elektrisches Rauschen generieren wie mechanisch schaltende induktive Lasten, PWM-getriebene LeistungsausgĂ€nge, Mikroprozessortakte und Schaltkontakten. Wenn das Schalten außerdem bei unterschiedlichen Frequenzen stattfindet, können Intermodulationsprodukte in empfindliche FrequenzbĂ€nder einstrahlen. Emissionen von Schaltreglern Schaltregler ersetzen ĂŒblicherweise lineare Regler in Bereichen, in denen eine geringe WĂ€rmeentwicklung und damit ein hoher Wirkungsgrad von besonderem Wert sind. Außerdem ist der Schaltregler ĂŒblicherweise die erste aktive Komponente in der Eingangsleitung des Power-Busses, und hat deshalb signifikante Auswirkungen auf das EMI-Verhalten des gesamten Designs eines Produktes. Leitungsgebundene Emissionen laufen entlang von Leitungen und LeiterzĂŒgen, die in einem Produkt miteinander verbunden sind. Da das Rauschen an einem bestimmten Abschluss oder Steckverbinders im Design angesiedelt ist, kann die Übereinstimmung mit den Anforderungen an die leitungsgebundenen Emissionen hĂ€ufig bereits frĂŒh im Entwicklungsprozess mit einem guten Layout oder Filterdesign sichergestellt werden. Abgestrahlte Emissionen sind eine völlig andere Angelegenheit. Alles, was auf der Baugruppe Strom fĂŒhrt, generiert ein magnetisches Feld. Jeder Leiterzug auf der Platine ist eine Antenne und jede Kupferlage ein Resonator. Alles, außer einem reinen Sinussignal oder einer Gleichspannung, erzeugt Rauschen im gesamten Signalspektrum. Selbst bei einer sorgfĂ€ltigen Entwicklung, weiß der Entwickler einer Stromversorgung solange niemals wirklich wie schlimm die abgestrahlten Emissionen sind, bis das System getestet ist. Und der Test auf abgestrahlte Emissionen kann formell nicht durchgefĂŒhrt werden, bis das Design im Wesentlichen fertiggestellt ist. Um die EMI zu reduzieren werden hĂ€ufig Filter verwendet, indem man die VerstĂ€rkung an einer bestimmten Frequenz oder ĂŒber einen Frequenzbereich dĂ€mpft. Ein Teil dieser Energie, die durch den Raum ĂŒbertragen wird (abgestrahlt), wird abgeschwĂ€cht indem man metallische oder magnetische Abschirmungen hinzufĂŒgt. Der Teil der ĂŒber Leitungen ĂŒbertragen wird (gefĂŒhrt), wird mit Ferritperlen oder anderen Filtern gedĂ€mpft. Die EMI kann nicht eliminiert, aber auf einen Pegel abgeschwĂ€cht werden, der fĂŒr andere Kommunikations-, Signalverarbeitungs- und Digitalkomponenten akzeptabel ist. DarĂŒber hinaus kreieren einige Aufsichtsbehörden Standards, um die Übereinstimmung mit den EMI-Anforderungen sowohl in industriellen als auch Automobilsystemen sicherzustellen. Moderne Eingangsfilter in OberflĂ€chenmontagetechnik haben eine bessere Leistung als durchkontaktierte Bauteile. Dieser Vorteil wird jedoch durch die steigende Nachfrage nach den heutigen hochfrequenten Schaltreglern wieder aufgehoben. Die kurzen minimalen Ein- und Auszeiten, die bei höheren Frequenzen nötig sind, resultieren wegen der schnelleren SchaltĂŒbergĂ€nge in grĂ¶ĂŸeren harmonischen Anteilen und damit gesteigertem abgestrahlten Rauschen. Diese schnellen Schaltflanken sind jedoch nötig, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Eine geschaltete Kondensator-Ladungspumpe zeigt dieses Verhalten nicht, da sie bei deutlich geringeren Schaltfrequenzen arbeitet und - am wichtigsten – lĂ€ngere SchaltĂŒbergĂ€nge ohne Einbußen des Wirkungsgrads tolerieren kann. Erfahrene Entwickler machen die „Hot Loops“ klein und verwenden abschirmende Masselagen so nahe wie nur möglich an der aktiven Lage. Nichtsdestotrotz diktieren die Pin-outs der Bauteile, thermische Designanforderungen und erforderliche GehĂ€use fĂŒr eine adĂ€quate Energiespeicherung in Entkopplungskomponenten eine minimale GrĂ¶ĂŸe der „hot loop“. Um die Angelegenheit in einer typischen planaren Baugruppe weiter zu verkomplizieren, wird die Art der magnetischen Komponenten oder Trafos, die eine Kopplung zwischen LeiterzĂŒgen herstellen, ĂŒber 30 MHz alle Filteranstrengungen zunichtemachen, da je höher die harmonischen Frequenzen sind, desto effektiver werden unerwĂŒnschte magnetische Kopplungen. Geschaltete Kondensator-Ladungspumpen Ladungspumpen gibt es seit mehreren Jahrzehnten und sie liefern eine Spannungswandlung mit einem geschalteten Netzwerk, um zwei oder mehr Kondensatoren zu laden und zu entladen. Das grundlegende Ladungspumpen-Netzwerk schaltet stĂ€ndig zwischen den Lade- und EntladezustĂ€nden der Kondensatoren hin und her. Wie in Bild 1 dargestellt, pendelt der „fliegende Kondensator“ C1 die Ladung hin und her, und C2, der Reservoir-Kondensator, hĂ€lt seine Ladung und filtert die Ausgangsspannung. ZusĂ€tzliche „fliegende Kondensatoren“ und Schaltarrays erlauben eine mehrfache VerstĂ€rkung. Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild einer Ladungspumpe fĂŒr einen Spannungsinverter © Linear Technology Wenn die Schalter S1 und S3 ein oder geschlossen sind und die Schalter S2 und S4 aus, oder offen sind, lĂ€dt die Eingangsstromversorgung C1. WĂ€hrend des nĂ€chsten Zyklus, S1 und S3 sind aus, S2 und S4 sind eingeschaltet, geht die Ladung zu C2 und erzeugt VOUT = - (V+). Bis vor Kurzem hatten Ladungspumpen jedoch nur eingeschrĂ€nkte Ein- und Ausgangsspannungsbereiche, was ihren Einsatz in industriellen und Automobilapplikationen in denen Eingangsspannungen von 40 V und darĂŒber ĂŒblich sind einschrĂ€nkte. Eine kĂŒrzlich erfolgte MarkteinfĂŒhrung in diesem Produktbereich ist der LTC3256 von Linear Technology. Dies ist eine hoch integrierte, rauscharme Hochspannungs-Stromversorgung mit zwei AusgĂ€ngen, die aus einem einzigen Eingang mit positiver Spannung und hohem Wirkungsgrad sowie ohne Spulen abwĂ€rts gewandelte 5-V- und 3,3-V-Versorgungen generiert. Der Baustein hat einen weiten Eingangsspannungsbereich von 5,5 V bis 38 V und zwei voneinander unabhĂ€ngig aktivierbare AusgĂ€nge: eine 5-V-Versorgung mit 100 mA und einen 3,3-V-LDO-Regler mit 250 mA, damit ergibt sich ein Ausgangsstrom von insgesamt 350 mA. Diese Reglerkombination bietet eine wesentlich geringere WĂ€rmeentwicklung als eine LDO-Lösung mit zwei AusgĂ€ngen. Bei einem 12-V-Eingang und maximaler Last an beiden AusgĂ€ngen, wird die Verlustleistung des LTC3256 verglichen mit zwei LDOs um mehr als 2 W gesenkt, dies reduziert die WĂ€rmeabgabe und den Eingangsstrom. Bild 2 zeigt das vollstĂ€ndige Schaltbild. Bild 2: Schaltbild des LTC3256 fĂŒr einen 5-V/100-mA-Ausgang & einen 3,3-V/250-mA-Ausgang © Linear Technology Der LTC3256 wurde fĂŒr die Diagnoseabdeckung in ISO26262-Systemen entwickelt und enthĂ€lt zahlreiche Sicherheits- und SystemĂŒberwachungsfunktionen. Der Baustein ist gut fĂŒr eine große Vielfalt an Anwendungen geeignet, die rauscharme, Low-Power-Spannungspegel aus HochspannungseingĂ€ngen erfordern, wie die Versorgung von Automobil-ECU/CAN-Transceivern, Industrie/Telecom/Haushalts-Stromversorgungen und der universellen Low-Power-Spannungswandlung. Der LTC3256 maximiert den Wirkungsgrad, indem die Ladungspumpe ĂŒber einen Betriebsbereich so breit wie nur möglich im 2:1-Betrieb lĂ€uft und wenn nötig automatisch auf den 1:1-Betrieb umschaltet, dabei aber VIN und Lastbedingungen beibehĂ€lt. Der gesteuerte Eingangsstrom und das sanfte Schalten minimieren sowohl die leitungsgefĂŒhrte als auch die abgestrahlte EMI. Der Baustein bietet einen geringen Ruhestrom von nur 20 ”A mit beiden AusgĂ€ngen in Regelung (ohne Last) und 1 ”A im abgeschalteten Zustand. Der integrierte Watchdog-Timer, unabhĂ€ngige Power-Good-AusgĂ€nge und ein Reset-Eingang sichern einen zuverlĂ€ssigen Systembetrieb und erlauben eine FehlerĂŒberwachung. Ein gepufferter 1,1-V-Referenzeingang ermöglicht die Selbsttest-Diagnose des Systems in sicherheitskritischen Applikationen. Der LTC3256 besitzt auch zusĂ€tzliche Sicherheitsfunktionen wie Schutz vor Überstrom, Übertemperatur und toleriert Spannungsspitzen bis 38 V am Eingang. Der Graph in Bild 3 hebt die gute Verlustleistungscharakteristika des LTC3256 hervor. Bei 12 VIN verbraucht der LTC3256 mit 3,3 V @ 250 mA und 5 V @100 mA an den AusgĂ€ngen rund 750 mW. Unter denselben Bedingungen wĂŒrde ein Zweifach-LDO mindestens 3 W verbrauchen. Das sind 2,25 W weniger fĂŒr den LTC3256, was ein großer Vorteil fĂŒr die thermische Komponente der Entwicklung ist. Bild 3: Verlustleistungscharakteristika des LTC3256 im Vergleich zu einem Zweifach-LDO © Linear Technology Zusammenfassung Es ist bekannt, dass EMI-Betrachtungen wĂ€hrend der frĂŒhen Entwicklungsphase große Sorgfalt erfordern, um sicherzustellen, dass das Design die EMI-Tests besteht, wenn das System fertig gestellt ist. Bis jetzt gab es keinen sicheren Weg zu garantieren, dass dies mit der Auswahl des richtigen Leistungs-ICs fĂŒr alle, besonders aber fĂŒr Systeme mit sehr geringem Leitungsbedarf, einfach erreicht werden kann. Mit den vor Kurzem erfolgten MarkteinfĂŒhrungen von Reglern mit geringer EMI, wie der Hochspannungsladungspumpe LTC3256, ist nun eine alternative Wahl erhĂ€ltlich. Sie bietet verglichen mit Linearreglern einen deutlich höheren Wirkungsgrad und geringere Leistungsverluste und benötigt auch nicht die Kompensierung der Probleme bezĂŒglich Layout, magnetischen Komponenten und EMI, die ein Schaltregler mit sich bringt. ----- Autor: Tony Armstrong, Director of Product Marketing, Power Products, Linear Technology Corporation
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2019.02.21 14:28 V12.2.5-2