DC/DC-Power-Module verbessern EMV und Effizienz

Industrielle Anwendungen wie z. B. Automatisierungssysteme, industrielle Robotik oder Lagerlogistik basieren auf einer Vielzahl von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten. Diese wiederum erfordern eine präzise Spannungsregelung, um die Funktion und Zuverlässigkeit der Systeme zu gewährleisten. Zwischengeschaltete DC/DC-Buskonverter sind dabei in industriellen Anwendungen unverzichtbar, da sie eine zentrale Rolle bei der Sicherstellung einer stabilen und effizienten Energieversorgung spielen (Bild 1).

In aktuellen industriellen Umgebungen, die durch eine Vielzahl von Geräten und Systemen mit hohen Anforderungen an die Versorgungsspannung gekennzeichnet sind, ist die Fähigkeit zur präzisen Spannungsumwandlung von entscheidender Bedeutung. Die zwischengeschalteten Konverter ermöglichen es, eine oftmals schwankende DC-Busspannung in eine stabile Ausgangsspannung umzusetzen, die spezifisch auf die Anforderungen von Maschinen, Steuerungssystemen und anderen elektrischen Lasten abgestimmt ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieser DC/DC-Wandler ist ihre Fähigkeit, die Energieeffizienz zu maximieren, indem sie Verluste minimieren und die Systemzuverlässigkeit erhöhen. 

Dies wird maßgeblich erreicht durch:

• Reduzierung der Systemkomplexität
• Einfaches Routing - besseres EMI-Verhalten
• Synchronisierung der DC/DC-Power-Module

Was für 48V-Leistungsmodule spricht

Steigende Leistungsanforderungen in Industrie, Rechenzentren und Mobilität stellen neue Anforderungen an Stromversorgungen. 48V-Leistungsmodule eröffnen hier effiziente, kompakte und skalierbare Lösungen für die nächste Entwicklungsstufe.

Wie reduzieren Power-Module die Systemkomplexität?

Je mehr Komponenten zum Aufbau eines Systems benötigt werden, desto mehr sinkt die Zuverlässigkeit des Systems. Der beste Ansatz ist also die Anzahl der erforderlichen Bauteile zu minimieren. Im Bereich der DC/DC-Wandlung bedeutet dies einen Übergang von einem diskreten zu einem hochintegrierten Ansatz.

Der Entwurf eines diskreten Wandlers erfordert mindestens die folgenden Schritte:

• Entwurf des DC/DC-Wandlers selbst
• Auswahl der Topologie
• Auswahl des Controller-IC
• Berechnung und Auswahl der Leistungsbauteile (MOSFET, Diode, Induktivität)
• Berechnen und Auswählen der Eingangs- und Ausgangskondensatoren
• Entwicklung eines Prüfstands
• Optimierung für eine stabile Regelung über den gesamten Eingangs-/Ausgangsspannungs- und Laststrombereich
• Layout-Routing für gutes EMV- und Wärmeverhalten
• Validierung des Gesamtentwurfs für eine einfache Fertigung
• Pre-Compliance-Tests für EMV und Sicherheit
• Logistikkette und Produktionssicherheit

Alle diese Schritte wurden bereits bei einem MagI³C-Power Modul durchgeführt. Das EMV-Verhalten und die thermische Leistung lassen sich mit dem kostenlosen Online-Design-Tool Redexpert im Voraus abschätzen. Diese Daten ermöglichen es den Designern, ein Modul gezielt auf der Basis von elektrischen Spezifikationen der Anwendung auszuwählen und damit alle zuvor genannten Designschritte zu vermeiden. Die DC/DC-Power-Module mit einem Eingangsspannungsbereich bis 36 V_DC und einem Ausgangsstrom von 4 bzw. 5 A bieten eine Lösung mit hoher Leistungsdichte, die darauf ausgelegt ist, die hohe geforderte Leistung auf kleinstem Raum bereitzustellen.

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Optimiertes EMV-Verhalten durch symmetrisches Layout

Viele aktuelle DC/DC-Power-Module arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen. Eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht es, die Größe eines DC/DC-Wandlers zu reduzieren, da sie die Verwendung kleinerer passiver Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren erlaubt. Bei höheren Frequenzen können diese Komponenten mit geringeren Werten arbeiten, da die Energie pro Schaltzyklus schneller übertragen wird. Dies führt zu einer Reduzierung der physischen Größe der Komponenten, was den gesamten Wandler kompakter macht.

Damit geht einher, dass ein gut durchdachtes Layout mit minimalen parasitären Komponenten unabdingbar ist.

Jede Leiterbahn, jedes Bauteil und jede Platzierung – wie im Schaltplan in Bild 2 dargestellt –, die sich mit einem Layout-Tool wie Altium planen lässt, entspricht einem realen Element im physikalischen Aufbau. Dieses weist parasitäre Eigenschaften auf, die sich nachteilig auf die Anwendung auswirken können.

Eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte (PCB) weist verschiedene parasitäre Eigenschaften auf - darunter parasitäre Induktivität, parasitäre Kapazität und ohmschen Widerstand. Im Folgenden stehen insbesondere die Auswirkungen der parasitären Induktivität einer Leiterbahn im Fokus und es wird gezeigt, wie sich diese durch einen symmetrischen Layoutansatz minimieren lassen. Die parasitäre Zuleitungsinduktivität eines Tiefsetzstellers kann mehrere nachteilige Effekte verursachen:

• Spannungsspitzen (Overshoot)
• EMV-Probleme
• Leistungsverluste
• Schwingungen (Ringing)

Spannungsspitzen (Overshoot): Die parasitäre Induktivität kann während der Ein- und Ausschaltvorgänge der Transistoren (MOSFETs) Spannungsspitzen verursachen. Diese Spannungsspitzen können die Bauteile beschädigen oder die Effizienz des Konverters deutlich verringern.

EMV-Probleme: Die parasitäre Induktivität kann elektromagnetische Felder verursachen, die in benachbarte Stromkreise eingekoppelt werden und ggf. sogar andere, sich in der Nähe befindliche elektronische Geräte stören.

Um diese Auswirkungen zu minimieren, ist es wichtig, das Layout der Schaltung sorgfältig zu gestalten und geeignete Bauteile auszuwählen, um die effektive parasitäre Induktivität zu reduzieren.

Hierzu bietet sich ein Vergleich eines klassisch linearen Layouts mit einem symmetrischen Layout in Bezug auf die vorhandenen parasitären Induktivitäten an.

In Bild 3 sind zur Vereinfachung die VIN- und GND-Induktivität durch die Gesamtinduktivitäten L_{Pa_1} und L_{PA_2} dargestellt.

Technisch gesehen, induziert die Induktivität eine Spannung, wenn der durch sie fließende Strom plötzlich unterbrochen wird. Diese Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit der Stromänderung. Die induzierte Spannung ist somit die Quelle der EMV-Störungen. Maßgeblich geht hier die parasitäre Induktivität in die Gleichung ein, diese sollte deshalb durch ein gut durchdachtes Layout möglichst minimiert werden.

Zur Bestimmung der parasitären Induktivitäten des Layouts wurden beide Layoutvarianten in ANSYS simuliert. Zum besseren Verständnis der Ergebnisse der Simulation und inwieweit sie die induzierte Spannung beeinflussen, werden die beiden Stromlaufpläne aus Bild 3 modifiziert. Das Resultat ist in Bild 4 gezeigt.

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Im linearen Layout addieren sich die parasitären Induktivitäten L_{Pa_1} und L_{Pa_2} im Gegensatz zum symmetrischen Layout. Hier liegen die beiden parasitären Induktivitäten L_{Pa_1} und L_{Pa_2} parallel, sodass sich der effektive Wert halbiert. Durch die halbierte parasitäre Induktivität reduziert sich auch der Wert der induzierten Spannung V_L, wodurch auch die EMV-Störungen reduziert werden.

Die parasitäre Induktivität der CIN (MLCCs) fließt hier nicht in die Betrachtung mit ein, da es hier um einen Vergleich der verschiedenen Layoutvarianten geht. Sowohl beim linearen wie auch beim symmetrischen Layout wurden die gleichen MLCCs als CIN verwendet.

Wie wirkt sich die Synchronisation mehrerer Module aus?

Die DC/DC-Power-Modul-Familie VDLM 1710x3601 besteht aus vollintegrierten DC/DC-Wandlern, die den Schaltregler-IC mit integrierten MOSFETs, Kompensation sowie eine abgeschirmte Induktivität in einem Gehäuse vereinen. Grundsätzlich verursachen bei jedem DC/DC-Wandler, ob diskret oder wie beim Power-Modul vollintegriert, die Schaltvorgänge der MOSFETs EMV-Störungen. Basierend auf der Schaltfrequenz können diese Störungen in der EMV-Messung z.B. als leitungsgebundene harmonische Störamplituden auftreten. Werden nun mehrere DC/DC-Wandler in einer Power-Tree“-Konfiguration nach Bild 1 eingesetzt, kann es zu zwei EMV-Effekten kommen:

• Schwebungen
• Positive Überlagerung der Eingangsströme

Unter einer Schwebung versteht man bei sinusförmigen Wellen die Interferenz zweier Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die nahe beieinander liegen. Dadurch, dass die beiden Frequenzen ähnlich sind, kommt es abwechselnd zur konstruktiven und destruktiven Interferenz. Als Resultat ändert sich die Amplitude der resultierenden Welle periodisch. Diese Überlagerungen sind im Spektrum der EMV-Messung als Amplituden zu sehen, die niedriger als die Schaltfrequenz liegen. Die trapezförmigen Eingangsströme der DC/DC-Wandler-Power-Module können wiederum durch eine Fourier-Analyse in ihre sinusförmigen Komponenten zerlegt werden. Ein Frequenzunterschied kann auch dann entstehen, wenn zwei DC/DC-Wandler trotz „gleicher“ Schaltfrequenz aufgrund interner Toleranzen typischerweise um ±10 % abweichen.

Eine positive Überlagerung der Eingangsströme entsteht, wenn beide Power-Module exakt zur gleichen Zeit schalten, siehe hierzu Bild 5. Die Module werden dazu im Sync-Modus betrieben.

Im Sync-Modus fließt der maximale Spitzenstrom im Eingangskreis, was wiederum zu einer maximalen Spitze im Amplituden-Störspektrum führt.

Weiterführende Information und Grundlagen zum Schaltverhalten eines nicht isolierten DC/DC-Power-Moduls sind im „ABC der Power-Module“ nachzulesen. Weiterführende Information zur Filterung von DC/DC-Wandlern sind im „DC/DC Converter Handbook“ beschrieben.

orteile der VDLM-Power-Module im industriellen Einsatz

Die vorgestellten Konzepte zeigen, dass aktuelle DC/DC-Power-Module wie die der VDLM-Serie die Anforderungen industrieller Anwendungen effizient erfüllen können. Durch die Integration aller relevanten Komponenten in einem Gehäuse wird die Designkomplexität reduziert, was eine schnellere Produktentwicklung und höhere Zuverlässigkeit ermöglicht. Ein durchdachtes, insbesondere symmetrisches Layout wie bei den VDLM 171043601 & 171053601 minimiert parasitäre Induktivitäten und verbessert das EMV-Verhalten. Simulationen und Messungen zeigen Vorteile gegenüber klassischen linearen Layouts. Die Synchronisierung mehrerer Module erfordert gezieltes Frequenzmanagement, um Schwebungen und Stromüberlagerungen zu vermeiden, was EMV-Störungen reduziert. Die Lösungen bieten hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauweise und sind ideal für anspruchsvolle Industrieumgebungen, wodurch sie zur Optimierung moderner Energieversorgungssysteme beitragen. (bs)

Autor: Timur Uludag, Senior Technical Marketing Manager bei der Würth Elektronik eiSos