Verwendung von Low-EMI-Schaltreglern zur Optimierung hocheffizienter Leistungsentwürfe

Für Entwickler, die ein batteriebetriebenes oder verteiltes Stromversorgungssystem implementieren, stellt sich oft die Frage, ob ein Low-Drop-Out (LDO)-Regler oder ein Schaltregler verwendet werden soll. Schaltregler bieten einen höheren Wirkungsgrad, der vor allem bei batteriebetriebenen Produkten immer gut ist. Der wichtigste Kompromiss ist die EMI durch die schnellen Schalttransistoren der Stromversorgung - ein Problem, das bei hoch integrierten und kompakten Designs zunehmend problematisch sein kann.

Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen mildern die Auswirkungen von EMI, aber sie erhöhen die Kosten, den Platzbedarf und die Komplexität der Schaltung. Diese Probleme werden durch eine neue Generation von integrierten, modularen Schaltreglern gelöst, die verschiedene eingebaute Techniken zur Begrenzung der EMI bieten, ohne die Leistung oder Effizienz des Reglers zu beeinträchtigen.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Vorteile von Schaltreglern in tragbaren Designs und die Bedeutung von Filterschaltungen. Anschließend werden Beispiele von Schaltreglern mit integrierten EMI-Filtern von Allegro Microsystems, Analog Devices und Maxim Integrated vorgestellt, und wie sie zur Vereinfachung der Leistungsversorgung eingesetzt werden können.

Warum Schaltregler in tragbaren Designs verwenden?

Hoher Wirkungsgrad, geringe Verlustleistung (erleichtert das Wärmemanagement) und hohe Leistungsdichte sind die Hauptgründe für die Wahl eines Schaltreglers anstelle eines LDOs. Der Wirkungsgrad kommerzieller Schaltreglermodule, d.h. die Ausgangsleistung/Eingangsleistung x 100, liegt über den größten Teil des Lastbereichs typischerweise bei 90% bis 95%; weit besser als der eines entsprechenden LDOs. Darüber hinaus sind Schaltregler flexibler als LDOs, da sie in der Lage sind, Spannungen zu erhöhen, abzusenken ("Buck") und zu invertieren.

Das Herzstück eines Schaltreglers ist ein PWM-Schaltelement, das aus einem oder zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) besteht, die mit einer oder zwei Induktivitäten zur Energiespeicherung gepaart sind. Die Betriebsfrequenz des Reglers bestimmt die Anzahl der Schaltzyklen pro Zeiteinheit, während das Tastverhältnis (D) des PWM-Signals die Ausgangsspannung bestimmt (von V_OUT = D × V_IN).

Während ihre hohe Effizienz bei tragbaren Designs ein Vorteil ist, weisen Schaltregler eine Reihe von Kompromissen auf; dazu gehören Kosten, Komplexität, Größe, langsames Ansprechen auf Lasttransienten und schlechter Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten, wobei sich letzterer jedoch verbessert. Die andere große Herausforderung für das Design ist der Umgang mit der EMI, die durch das Schalten der Leistungstransistoren erzeugt wird. Das Schalten verursacht Spannungs- und Stromüberschwinger in anderen Teilen der Schaltung, was zu Eingangs- und Ausgangsspannungs- und Stromwelligkeit und zu transienten Energiespitzen bei der Schaltfrequenz (und Vielfachen davon) führt. Die Spannungswelligkeit erreicht am Ende der PWM-"Ein"-Periode Spitzenwerte (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Spur der Ausgangsspannungswelligkeit eines Schaltspannungsreglers zeigt die transienten Spitzen, die eine Hauptquelle für EMI sind. (Bildquelle: Analog Devices)

Reduzierung der EMI

Eine bewährte Methode zur Reduzierung der durch das Schalten von Leistungs-FETs in einem Regler verursachten EMI ist die Hinzufügung von Widerstands-Kondensator-(R-C)-Snubber-Schaltungen zu den Ein- und Ausgängen. Diese Schaltungen helfen, Energiespitzen zu filtern und die Spannungs- und Stromwelligkeit und damit die EMI zu dämpfen. Ein gutes Ziel für ein gut konzipiertes Schaltnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 2 bis 5 Volt ist eine Spitze-Spitze-Spannungswelligkeit zwischen 10 und 50 mV und minimale transiente Spikes.

Die Auswahl der Komponenten für die Filterschaltungen, insbesondere der Eingangs- und Ausgangs-Massenkondensatoren, ist eine heikle Angelegenheit, bei der die Größe und die Kosten der Komponenten (und die Auswirkungen auf das Einschwingverhalten und die Kompensation der Regelschleife) gegen die Spitze-Spitze-Spannungs- und Stromwelligkeit und die EMI-Minderung abgewogen werden müssen.

Ein guter Ausgangspunkt ist der Rückgriff auf einige etablierte Techniken, die auf Schlüsselgleichungen basieren. Die Eingangsspannungswelligkeit umfasst ΔV_Q (erzeugt durch die Entladung des Eingangskondensators) und ΔV_ESR (erzeugt durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) des Eingangskondensators). Für eine spezifizierte maximale Spitze-Spitze-Spannungswelligkeit am Eingang ist es möglich, die erforderliche Eingangskapazität (C_IN) und den ESR des Massenkondensators aus Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 abzuschätzen:

Gleichung 1

Und:

Gleichung 2

Dabei gilt:

I_LOAD(MAX) ist der maximale Ausgangsstrom

ΔI_p-p ist der Spitze-zu-Spitze-Induktionsstrom

V_IN ist die Eingangs-Versorgungsspannung

V_OUT ist die Ausgangsspannung des Reglers

f_SW ist die Schaltfrequenz

In ähnlicher Weise kann für eine spezifizierte maximale Spitze-Spitze-Spannungswelligkeit am Ausgang die Kapazität und der ESR des Massenkondensators aus Gleichung 3 bzw. Gleichung 4 bestimmt werden:

Gleichung 3

Und:

Gleichung 4

Es ist wichtig zu beachten, dass ΔV_ESR und ΔV_Q nicht direkt additiv sind, da sie nicht in Phase miteinander stehen. Wenn ein Designer Keramikkondensatoren auswählt (die im Allgemeinen einen niedrigen ESR haben), dann dominiert ΔV_Q. Wenn die Wahl auf Elektrolytkondensatoren fällt, dann dominiert ΔV_ESR.

Die gewählten Werte der Ausgangskapazität und des ESR werden auch durch die zulässige Abweichung der Ausgangsspannung vom gewünschten Ausgang bei schnellen Lasttransienten beeinflusst. Insbesondere muss der Ausgangskondensator in der Lage sein, den Laststrom während der Transienten zu unterstützen, bis der Regler des Reglers mit einer Erhöhung des PWM-Tastverhältnisses reagiert. Zur Berechnung der erforderlichen Ausgangskapazität und des ESR für eine minimale Ausgangsabweichung während eines Lastschritts verwenden Sie Gleichung 5 bzw. Gleichung 6:

Gleichung 5

Und:

Gleichung 6

Dabei gilt:

I_STEP ist der Lastschritt

t_RESPONSE ist die Reaktionszeit des Reglers

Aber während diese Berechnungen helfen, die Auswahl geeigneter Komponenten zur Bewältigung von Spannungs- und Stromwelligkeiten sowie von transienten Spitzen zu verfeinern, muss der Konstrukteur auch die Verlustleistung im Kondensator (P_CAP) berücksichtigen. Dies kann berechnet werden aus:

Dabei ist I_RMS der RMS-Eingangswelligkeitsstrom.

Diese Gleichung zeigt, dass für einen gegebenen ESR der interne Temperaturanstieg proportional zum Quadrat des Welligkeitsstroms ist. Wenn das Gerät zur Dämpfung eines großen Brummstroms eingesetzt wird, könnte es sich deutlich erwärmen, und wenn diese Wärme nicht schnell abgestrahlt werden kann, wird das Elektrolyt des Kondensators allmählich verdampfen, und seine Leistung wird bis zu einem eventuellen Ausfall abnehmen. Um dieses Ergebnis zu vermeiden, muss der Ingenieur ein größeres und kostspieligeres Gerät mit einer größeren Oberfläche wählen, um die Wärmeableitung zu fördern, als sonst erforderlich wäre.

Optionen für Regler mit niedriger EMI

Während die Eingangs- und Ausgangsfilterung die Spannungs- und Stromwelligkeit abschwächen kann, ist es eine gute Konstruktionspraxis, einen Schaltregler zu wählen, der die Spezifikation erfüllt und gleichzeitig die Welligkeitsspitzenhöhe minimiert. Dadurch kann die Belastung der Filterkondensatoren durch die Verlustleistung gesenkt werden, was den Einsatz kleinerer und preiswerterer Geräte ermöglicht.

Eine Technik zur Minimierung der Spannungs- und Stromwelligkeit ist die Anwendung eines Spannungsmodus-Steuerschemas. Bei diesem Schema wird das PWM-Signal durch Anlegen einer Steuerspannung an einen Komparatoreingang und einer taktgenerierten Sägezahnspannung (oder "PWM-Rampe") mit fester Frequenz an den anderen Eingang erzeugt. Die Technik ist besser geeignet, um die EMI zu minimieren als das alternative Strommodus-Regelverfahren, das dazu neigt, die EMI zu verschlimmern, da das Rauschen der Leistungsstufe typischerweise den Weg in den Regelkreis findet. (Siehe DigiKey-Bibliotheksartikel Spannungs- und Strommodus-Steuerung für die PWM-Signalerzeugung in DC/DC-Schaltreglern).

Zusätzlich zur Berücksichtigung der Spannungssteuerung bieten mehrere Siliziumhersteller eine Reihe von Ansätzen an, um die Größe der Spannungs- und Stromwelligkeit intern zu verringern. Ein Beispiel ist der synchrone Abwärtsregler A8660 von Allegro Microsystems. Dies ist ein High-End-Gerät mit der AEC-Q100-Qualifikation für die Automobilindustrie. Der Regler arbeitet mit einem Eingang (V_IN) von 0,3 bis 50 Volt und bietet einen einstellbaren Ausgangsspannungsbereich von 3 bis 45 Volt. Der Baustein verfügt über eine programmierbare Grundfrequenz (f_OSC) von 200 Kilohertz (kHz) bis 2,2 Megahertz (MHz). Der A8660 bietet auch eine Reihe von Schutzfunktionen, einschließlich einer weichen Erholung nach einem Ausfall, um ein Überschwingen des V_OUT und eine unerwünschte Spannungsspitze zu eliminieren.

Der Schlüssel zur Fähigkeit des Reglers, EMI zu minimieren, ist eine Technik, die als PWM-Basisfrequenz-Dithering bezeichnet wird. Wenn aktiviert, ändert ein intern eingestellter "Dithering Sweep" systematisch die f_OSC um ±10% und verteilt die Energie um die Schaltfrequenz. Die Dithering-Modulationsfrequenz (f_MOD) wobbelt ein Dreiecksmuster ab, das bei 12 kHz arbeitet.

Ein Vergleich der leitungsgeführten und abgestrahlten Emissionen des A8660 mit aktiviertem und deaktiviertem Dithering ist in Abbildung 2 dargestellt. Die externen Komponenten und Leiterplattenlayouts der beiden Testaufbauten sind identisch.

Abbildung 2: Vergleich der abgestrahlten Emissionen eines Schaltreglers mit einer festen Grundfrequenz (rot) mit einem Regler, der Frequenzdithering (blau) verwendet. Betriebsparameter: f_OSC = 2,2 MHz, V_IN = 12 Volt, V_OUT = 3,3 Volt, Last = 3 Ampere (A). (Bildquelle: Allegro Microsystems)

Bei Designs, die eine Betriebsfrequenz unterhalb des AM-Funkbandes (f_OSC < 520 kHz) verwenden, kann der Synchronisationseingang des A8660 dazu verwendet werden, f_OSC und seine Oberwellen zu verschieben, um die EMI weiter zu minimieren. Dazu wird ein externer Takt an den SYNC_IN-Pin angeschlossen und die Basisfrequenz des A8660 von 1,2 auf 1,5 × f_OSC erhöht.

Der synchrone Abwärts/Aufwärtsregler LT8210IFE von Analog Devices verfügt ebenfalls über ein dreieckiges Frequenzmodulationsschema. In diesem Fall spreizt der LT8210IFE langsam den f_SW-Wert zwischen der eingestellten Nennfrequenz und 112,5% dieses Wertes und wieder zurück.

Darüber hinaus bietet das Gerät ein "Pass-Thru", das die Umschaltung aussetzt und so dazu beiträgt, die EMI zu senken und die Effizienz durch die Beseitigung von Umschaltverlusten zu steigern. Der Regler hat einen Eingangsbereich von 2,8 bis 100 Volt mit einem Ausgang von 1 bis 100 Volt. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung beträgt ±1,25 %, und sie hat einen Verpolungsschutz am Eingang bis zu -40 Volt.

Wenn der Pass-Thru-Modus aktiviert ist, funktionieren die Regelkreise des Reglers für die Aufwärts- und Abwärtsregelung unabhängig voneinander. Separate Fehlerverstärker werden zur Erzeugung des Pass-Thru-Fensters verwendet, indem die programmierte Ausgangsspannung für die Abwärtsregelung, V_OUT(BUCK), höher als die programmierte Ausgangsspannung für die Aufwärtsregelung, V_OUT(BOOST), eingestellt wird. Der Einfluss des Pass-Thru-Modus auf die Welligkeit der Ausgangsspannung wird gezeigt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Im Pass-Thru-Modus bietet der LT8210-Regler eine reduzierte Ausgangsspannungswelligkeit (blaue Kurve) von einer verrauschten Eingangsquelle (rote Kurve). (Bildquelle: Analog Devices)

Wenn V_IN zwischen V_OUT(BOOST) und V_OUT(BUCK) liegt, folgt die Ausgangsspannung dem Eingang. Sobald V_OUT sich nahe V_IN eingependelt hat, geht der LT8210 in einen Niedrigleistungszustand (Pass-Thru) über, in dem die Schalter A und D kontinuierlich eingeschaltet und die Schalter B und C ausgeschaltet sind. Wenn V_OUT die V_IN um einen bestimmten Prozentsatz überschreitet, werden die Schalter A, C und D abgeschaltet und der Ausgang wird erst wieder angeschlossen, nachdem er sich so weit entladen hat, dass er fast gleich der V_IN ist. Wenn ein positiver Leitungstransient auftritt, während man sich im (nicht schaltenden) Pass-Thru-Fenster befindet, so dass V_IN die V_OUT um einen bestimmten Prozentsatz übersteigt, wird das Schalten wieder aufgenommen, um ein Schwingen mit großer Amplitude im Induktionsstrom zu verhindern. Der Ausgang wird ähnlich wie bei einem Soft-Start auf die Eingangsspannung getrieben, und die Schalter A und D schalten sich kontinuierlich wieder ein, nachdem sich V_OUT in der Nähe von V_IN eingependelt hat. Abbildung 4 zeigt die Schaltungstopologie.

Abbildung 4: Die Schalter des Reglers LT8210. Im Pass-Thru-Modus sind die Schalter A und D ständig eingeschaltet und die Schalter B und C ausgeschaltet. (Bildquelle: Analog Devices)

Das EMI-arme Angebot von Maxim Integrated ist der Buck-Schaltregler MAX15021ATI+T. Er arbeitet mit einem Eingang von 2,5 bis 5,5 Volt und hat zwei Ausgänge, die jeweils von 0,6 Volt bis zur Größe der Eingangsversorgung eingestellt werden können. Die Grundfrequenz des Reglers kann mit einem einzigen Widerstand von 500 kHz bis 4 MHz eingestellt werden.

Der MAX15021 unterstützt nicht nur ein Spannungssteuerungsschema zur Begrenzung der Spannungswelligkeit, sondern ermöglicht auch den Betrieb der Regler mit einer um 180° phasenverschobenen Taktung (Abbildung 5). Zusammen mit der Option, bei Frequenzen bis zu 4 MHz zu schalten, reduziert eine solche Fähigkeit den RMS-Eingangswelligkeitsstrom erheblich. Die daraus resultierende Verringerung des Spitzeneingangsstroms (und die Erhöhung der Welligkeitsfrequenz) verringert die erforderliche Menge an Eingangsüberbrückungskapazität und damit die Größe des erforderlichen Kondensators.

Abbildung 5: Die beiden Regler des MAX15021 arbeiten um 180° phasenverschoben, um die EMI zu begrenzen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Fazit

Modulare Schaltregler sind eine gute Option für die Spannungsregelung, wenn ein hoher Wirkungsgrad im Vordergrund steht. Zu den Kompromissen im Vergleich zu alternativen Lösungen wie LDOs gehören jedoch Spannungs- und Stromwelligkeit sowie transiente Spannungsspitzen, die von den Schaltelementen im Regler erzeugt werden. Ungefiltert kann dieses Rauschen zu EMI führen, das empfindliche Chips in der Nähe des Reglers stören kann.

Etablierte Designtechniken wie die Verwendung von Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen können EMI dämpfen, erfordern aber große Kondensatoren, um mit großen transienten Spitzen und Welligkeiten fertig zu werden. Diese können auch viel Strom ableiten, was zu einer Überhitzung der Komponenten führen kann.

Stattdessen haben die Ingenieure jetzt Zugang zu einer neuen Generation modularer Schaltregler mit eingebauten Funktionen zur Reduzierung der Spannungs- und Stromwelligkeit sowie von transienten Spitzen zur Begrenzung der EMI, noch bevor Filterschaltungen hinzugefügt wurden. Durch die Verwendung dieser Regler in ihren Designs können die Ingenieure die Abmessungen von Eingangs- und Ausgangs-Massenkondensatoren reduzieren und die Größe und Kosten von Filterschaltungen verringern.