Wegen der Vorteile, die Schaltnetzteile bei Bauvolumen, Kosten und Wirkungsgrad bieten, sind diese Energiewandler heute in fast allen elektrischen Geräten vertreten. Hohe Schalttransienten im Inneren der Netzteile können auf der Ausgangsseite jedoch elektrische Störungen verursachen. Abhilfe kann ein zweistufiger Ausgangsfilter schaffen.

Eckdaten

Zur Entwicklung von mehrstufigen Ausgangsfiltern für Schaltnetzteile gibt es verschiedene Möglichkeiten. Ein stufenweise aufgebauter Entwicklungsablauf sowie vereinfachte mathematische Gleichungen erleichtern Ingenieuren diese Aufgabe und führen schnell zum Ziel.

Im Folgenden dienen Aufwärtswandlerschaltungen als Beispiele, doch die Ergebnisse sind direkt auf beliebige DC/DC-Wandler anwendbar. Bild 1a zeigt die Basis-Signalverläufe in einem Aufwärtswandler (Bild 1b) im Konstantstrommodus (CCM oder Continuous Current Mode).

Ausgangsfilter mit Konsequenzen

Ein Ausgangsfilter für einen Aufwärts- oder eine andere Topologie mit nichtkontinuierlichen Stromfluss (DCM oder Discontinuous Current Mode) ist wegen des schnellen Anstiegs und Abfalls im Stromverlauf in Schalter B erforderlich, was parasitäre Induktivitäten im Schalter, im Layout und in den Ausgangskondensatoren anregen kann. Das Ergebnis ist, dass die Ausgangssignalverläufe in der Praxis eher wie in Bild 2 als in Bild 1 aussehen, selbst mit gutem Layout und Keramik-Ausgangskondensatoren.

Die Schaltwelligkeit der Schaltfrequenz, hervorgerufen durch die Ladungsänderung des Kondensators, ist klein gegenüber dem ungedämpften Ringing des Ausgangsschalters. Dies wird als Ausgangsstörung bezeichnet. Im Allgemeinen liegen die Ausgangsstörungen im Bereich von 10 bis über 100 MHz, also weit über der Resonanzfrequenz der meisten Keramik-Ausgangskondensatoren. Deshalb tragen zusätzliche Kondensatoren wenig zur Dämpfung der Störungen bei.

Bild 1a: Spannungs- und Stromverläufe für einen Aufwärtswandler.

Bild 1a: Spannungs- und Stromverläufe für einen Aufwärtswandler. Analog Devices

Es gibt verschiedene Filtertypen, um den Ausgang zu filtern. Der Artikel veranschaulicht alle Filtertypen und beschreibt die Stufen der Schaltungsentwicklung. Die Gleichungen sind nicht ganz exakt und es werden Annahmen gemacht, um sie zu vereinfachen.

Iterationen erforderlich

Dennoch sind einige Iterationen erforderlich, da jede Komponente die Werte der anderen beeinträchtigt. Die Designtools ADIsim-Power umgehen dieses Problem, indem sie linearisierte Gleichungen für Komponentenwerte nutzen, wie etwa Kosten oder Abmessungen. Anschließend werden die Ausgänge angepasst, sobald echte Komponenten aus der Datenbank mit tausenden Bauteilen gewählt sind.

Bild 1b: Aufwärtswandler mit kontinuierlichem Stromfluss (CCM).

Bild 1b: Aufwärtswandler mit kontinuierlichem Stromfluss (CCM). Analog Devices

Für einen ersten Durchlauf eines Designs ist diese Komplexität nicht notwendig. Mit den bereitgestellten Berechnungen und eventuell der Nutzung eines Simplis-Simulators wie dem kostenlosen ADIsimPE oder etwas Zeit im Labor, lässt sich ein zufriedenstellendes Design mit minimalem Aufwand finden.

Vor der Entwicklung des Filters sollten Ingenieure berücksichtigen, was mit einem einstufigen RC- oder LC-Filter bereits erreichbar ist. Normalerweise lässt sich mit einer zweiten Filterstufe die Welligkeit auf einige wenige hundert μVss und die Schaltstörungen auf unter 1 mVss bringen. Bei einem Abwärtswandler lässt sich ein etwas geringeres Rauschen erreichen, da die Leistungsinduktivität bereits für erhebliche Filterung sorgt.

Dritte Filterstufe falls nötig

Bild 2: Signalverläufe eines Aufwärtswandlers mit nichtkontinuierlichem Stromfluss (DCM).

Bild 2: Signalverläufe eines Aufwärtswandlers mit nichtkontinuierlichem Stromfluss (DCM). Analog Devices

Sobald die Welligkeit in den μV-Bereich gelangt, entwickeln sich die Bauteilparasitäten sowie die Störungskopplung zwischen den Filterstufen zu den begrenzenden Faktoren. Sind noch rauschärmere Versorgungen erforderlich, können Entwickler eine dritte Filterstufe heranziehen.

Allerdings sind Schaltnetzteile im Allgemeinen mit Rauschen behaftet und weisen auch Jitter-Rauschen auf. Daraus ergibt sich niederfrequentes Rauschen von 1 Hz bis 100 kHz, was sich nicht leicht herausfiltern lässt. Deshalb kann es für Versorgungen mit geringen Störungen besser sein, eine zweite Filterstufe zu verwenden sowie den Ausgang mit einem LDO zu beschalten.

Werte für alle Filtertypen

Werte, die im Entwicklungsprozess für alle Filtertypen dienen, sind wie folgt definiert:

ΔIpp: Ungefährer Spitze/Spitze-Strom, der in den Ausgangsfilter fließt. Für die Berechnungen wird ein sinusförmiger Verlauf angenommen. Der Wert von ΔIpp hängt von der Topologie ab. Für einen Abwärtswandler ist es der Spitze/Spitze-Strom in der Induktivität, für einen Aufwärtswandler der Spitzenstrom in Schalter B (häufig eine Diode).

Formel-01

: Ungefähre Ausgangsspannungswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Wandlers.

RESR: Innenwiderstand (ESR) des gewählten Ausgangskondensators.

FSW: Schaltfrequenz des Wandlers.

Crip: Berechneter Ausgangskondensator unter der Annahme, dass der gesamte Spitze/Spitze-Strom ΔIpp in ihn hinein fließt.

Formel-02

:

Änderung von Vout, wenn Istep am Ausgang anliegt.

Istep: Sofortige Änderung der Ausgangslast.

Tstep: Ungefähre Reaktionszeit des Wandlers auf eine unmittelbare Änderung der Ausgangslast.

Fu: Grenzfrequenz des Wandlers. Für einen Abwärtswandler ist es normalerweise FSW/10. Für einen Aufwärts- oder Abwärts/Aufwärts-Wandler ist es normalerweise etwa ein Drittel der Lage der Nullstelle in der rechten Halbebene (Right Half Plane Zero, RHPZ).

Bild 3: Aufwärtswandlerdesign mit dem ADP161x und ausgangsseitigem RC-Filter.

Bild 3: Aufwärtswandlerdesign mit dem ADP161x und ausgangsseitigem RC-Filter. Analog Devices

Der einfachste Filtertyp ist ein RC-Filter am Ausgang eines mit dem ADP161x aufgebauten Aufwärtswandlerdesigns (Bild 3). Dieser Filter ist kostengünstig und kommt ohne Dämpfung aus. Allerdings ist er aufgrund der Verlustleistung nur für Wandler mit niedrigem Ausgangsstrom nützlich. In diesem Artikel sind Keramik-Kondensatoren mit niedrigem Innenwiderstand (ESR) angenommen.

RC-Ausgangsfilter entwickeln

Schritt 1: Man wähle C1, basierend auf der Annahme, dass die Ausgangswelligkeit an C1 den Rest des Filters ignoriert. 5 bis 20 mVss ist ein guter Ausgangspunkt. C1 lässt sich mit Gleichung 1 berechnen.

Designing-Second-Stage-Output-Filters-for-Switching-Power-Suppli

 

 

 

 

 

Schritt 2: R kann auf Basis der Verlustleistung gewählt werden und muss viel größer sein als RESR für die Kondensatoren und damit dieser Filter effizient ist. Dies begrenzt den Ausgangsstrombereich auf etwas unter 50 mA.

Schritt 3: C2 lässt sich mit den Gleichungen 2 bis 6 berechnen.

Designing-Second-Stage-Output-Filters-for-Switching-Power-Suppli

 

 

 

 

 

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Für Versorgungen mit höherem Strom ist es vorteilhaft, den Widerstand im PI-Filter durch eine Induktivität zu ersetzen (Bild 4). Diese Konfiguration ermöglicht eine gute Spannungswelligkeitsunterdrückung sowie eine Unterdrückung des Schaltrauschens bei geringen Leistungsverlusten. Das Problem ist, dass jetzt ein zusätzlicher Tank-Schaltkreis hinzugefügt wurde, der schwingen kann und eventuell eine instabile Versorgung hervorruft.

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