Bildergalerie
Bild 1: Der LT8614-Silent-Switcher minimiert EMI/EMC-Abstrahlungen mit hohem Wirkungsgrad bei Frequenzen bis zu 3 MHz.
Bild 2: Die blaue Linie ist das Grundrauschen; die rote Linie zeigt das Messergebnis von CISPR25-Messungen am LT8614-Board in einem reflexionsfreien Raum.
Bild 3: Die blaue Linie ist vom LT8614, die violette vom LT8610; beide bei 13,5 V Eingangsspannung und 3,3 V Ausgangsspannung an einer 2,2-A-Last.
Bild 4: Anstiegsflanke des Schaltknotens bei 8,4 V Eingangsspannung und 3,3 V Ausgangsspannung an einer Last von 2,2 A (Kanal 1: LT8610; Kanal 2: LT8614).
Bild 5: Schaltknoten bei 13,2 V Eingangsspannung und 3,3 V Ausgangsspannung an 2,2 A (Kanal 1: LT8610, Kanal 2: LT8614).
Bild 6: Dropout-Verhalten am Schaltknoten (Kanal 1: LT8610, Kanal 2: LT8614).
Bild 7: Dropout-Verhalten des LT86154.

Auf einen Blick

Der LT8614-Silent-Switcher-Regler reduziert die EMI von Hochleistungs-Schaltreglern um über 20 dB, und steigert die Wandlungseffizienz ohne Einschränkungen. Eine zehnfache Steigerung der EMI im Frequenzbereich über 3 MHz wird ohne Kompromisse bei den minimalen Ein- und Aus-Zeiten oder beim Wirkungsgrad auf derselben Leiterplattenfläche erzielt. Dies wird ohne spezielle Komponenten oder eine Schirmung ermöglicht, was einen signifikanten technischen Durchbruch in der Entwicklung von Schaltreglern darstellt. Diese hohe Leistungsfähigkeit in einem einzigen Baustein war bisher nicht realisierbar. Dies ist aber genau die Art von technischem Durchbruch, die es den Entwicklern der Endsysteme erlaubt, ihre Produkte auf die nächst höhere Leistungsebene zu bringen.

Moderne Eingangsfilter in SMD-Technik haben eine bessere Leistung als Komponenten in THT-Technik. Zusätzlich wird die Schaltfrequenz von Schaltreglern gesteigert. Ein höherer Wirkungsgrad und kleine minimale Ein- und Aus-Zeiten resultieren aus den schnelleren Schaltübergängen in höheren harmonischen Anteilen.

Bei jeder Verdoppelung der Schaltfrequenz verschlechtern sich die elektromagnetischen Interferenzen um 6 dB, sofern alle anderen Parameter wie Schaltkapazität und Übergangszeiten konstant bleiben. Die Breitband-EMI (elektromagnetische Interferenz) verhält sich wie ein Hochpassfilter 1. Ordnung. Mit 20 dB höheren Emissionen steigt die Schaltfrequenz auf das Zehnfache.

Intelligente Leiterplattenentwickler machen die „hot loop“ klein und verlegen Abschirmmasselagen so nahe wie möglich an die aktive Lage. Trotzdem geben das Pinout, die Gehäusekonstruktion, die Anforderungen an das thermische Design und die benötigten Gehäuseausmaße für eine adäquate Energiespeicherung in den Entkoppelkomponenten eine gewisse Mindestabmessung der hot loop vor.

Erschwerend hinzu kommt, dass die magnetische oder die Trafo-ähnliche Kopplung zwischen den Leiterbahnen auf einer typischen flachen Leiterplatte die Filterung um 30 MHz verringert. Denn, je höher die harmonischen Frequenzen sind, desto mehr unerwünschte Kopplung tritt effektiv auf.

Die altbewährte Lösung ist eine Abschirmung für die gesamte Schaltung. Natürlich ist das teurer, der benötigte Platz auf der Leiterplatte wird größer, thermisches Management und Test werden erschwert und zudem führt es zu höheren Montagekosten. Häufig werden auch die Schaltflanken verlangsamt. Allerdings hat diese Methode den unerwünschten Effekt, dass sich der Wirkungsgrad reduziert und die minimalen Ein- und Aus-Zeiten sowie die erforderlichen Totzeiten sich verlängern und zusätzlich müssen Kompromisse bei der potenziellen Geschwindigkeit des Steuerstromkreises eingegangen werden.

Abschirmen ohne Schirmung

Der neue Regler LT8614 Silent Switcher von Linear Technology schirmt ab, ohne eine Schirmung zu verwenden und ohne die erwähnten Nachteile (Bild 1). Äußerst gering ist sein IQ von nur 2,5 µA im Betrieb. Dies ist der gesamte Versorgungsstrom, der vom Baustein in Regelung, ohne Last, verbraucht wird. Seine Dropout-Spannung ist ebenso gering wie bei den anderen Mitgliedern dieser Produktfamilie. Begrenzt wird sie lediglich vom internen Top-Switch. Im Gegensatz zu alternativen Lösungen ist der RDSON des LT8614 nicht vom maximalen Arbeitstakt und den minimalen Aus-Zeiten begrenzt. Im Dropout überspringt der Baustein die Schalt-Aus-Zeiten und führt nur die minimal erforderlichen Aus-Zyklen aus, um die Spannung der internen Top-Switch-Verstärkerstufe aufrecht zu erhalten, wie in Bild 6 dargestellt.

Gleichzeitig beträgt die minimale Betriebseingangsspannung typisch 2,9 V (3,4 V maximal) und der Baustein kann während er sich im Dropout befindet, einen 3,3-V-Pegel erzeugen. Bei höheren Strömen hat der LT8614 einen höheren Wirkungsgrad als der LT8610/11, da sein gesamter Schaltwiderstand geringer ist. Er kann auch mit einer externen Frequenz zwischen 200 kHz bis 3 MHz synchronisiert werden.

Geringe AC-Schaltverluste

Die AC-Schaltverluste sind gering, so dass der Regler ohne große Wirkungsgradverluste mit hohen Schaltfrequenzen betrieben werden kann. In EMI-empfindlichen Applikationen, wie im Automobilumfeld, lässt sich eine gute Balance erreichen und der LT8614 kann entweder unterhalb des AM-Bandes laufen, um die EMI noch weiter zu verringern, oder auch über dem AM-Band. Bei einer Betriebsfrequenz von 700 kHz übersteigt das Standard-Demoboard das Grundrauschen in den CISPR25-Messungen nicht.

Die Messungen in Bild 2 wurden in einem reflexionsfreien Raum bei 12 V Eingangsspannung und 3,3 V Ausgangsspannung mit 2 A Ausgangsstrom bei einer festen Schaltfrequenz von 700 kHz durchgeführt.

Um die LT8614-Silent-Switcher-Technologie mit einem aktuellen Hochleistungs-Schaltregler zu vergleichen, wurde eine Vergleichsmessung mit dem LT8614 durchgeführt. Der Test wurde in einer sogenannten GTEM-Zelle (Gigahertz transversal elektromagnetisch) durchgeführt, mit derselben Last, Eingangsspannung und der gleichen Spule auf dem Standard-Demoboard für beide Bausteine.

Verbesserung um bis zu 20 dB

Man kann erkennen, dass eine Verbesserung um bis zu 20 dB mit der LT8614-Silent-Switcher-Technologie erzielt wird, verglichen mit dem bereits sehr guten EMI-Verhalten des LT8610, besonders im Bereich der schwieriger zu handhabenden höheren Frequenzen. Dies erlaubt einfachere und kompaktere Entwicklungen in denen die LT8614-Schaltstromversorgung weniger Filterung und minimale Abstände benötigt, im Vergleich zu anderen empfindlichen Systemen im Gesamtdesign. Im Zeitbereich zeigt der LT8614 ein sehr gutes Verhalten auf den Schaltknotenflanken, wie in Bild 4 gezeigt.

Selbst bei 4 ns/div hat der LT8614-Silent-Switcher-Regler ein sehr geringes „Ringing“ (siehe Kanal 2 in Bild 3). Der LT8610 hat ein gut gedämpftes Ringing (Kanal 1 in Bild 3) aber man kann die in der hot loop gespeicherte höhere Energie im Vergleich zum LT8614 in Kanal 2 erkennen.

Bild 5 stellt einen Schaltknoten mit 13,2 V Eingangsspannung dar. Zu erkennen ist die extrem geringe Abweichung von der idealen Rechteckform der Spannung des LT8614, die in Kanal 2 gezeigt wird. Alle Messungen im Zeitbereich in den Bildern 3 bis 5 wurden mit 500-MHz-Messköpfen P6139A von Tektronix durchgeführt, mit einer kurzen, geschirmten Verbindung von der Messkopfspitze zur Massefläche der Leiterplatte, beide auf den Standard-Demoboards.

Neben ihrer maximalen Spannungsauslegung von absolut 42 V in Automobilumgebungen, ist auch das Dropout-Verhalten besonders bedeutend. Die häufig wichtige Versorgung einer 3,3-V-Logik muss Kaltstart-Situationen verkraften. Der LT8614-Silent-Switcher-Regler behält das nahezu ideale Verhalten der LT861x-Familie in diesem Fall bei. Anstatt der höheren Unterspannungs-Sperrspannungen und maximalen Arbeitstakt-Klemmungen von alternativen Bausteinen, arbeitet der LT8610/11 herunter bis zu 3,4 V und beginnt, Aus-Zyklen so schnell wie möglich zu überspringen, wie in Bild 6 gezeigt. Dies resultiert in dem sehr guten Dropout-Verhalten, dargestellt in Bild 7.

Die kurze minimale Ein-Zeit von 30 ns des LT8614 erlaubt selbst bei hohen Schaltfrequenzen große Abwärtsregelverhältnisse. Als Ergebnis kann er Logikkernspannungen mit einer einzigen Abwärtswandlung von Eingangsspannungen bis zu 42 V liefern.