Schaltnetzteil-Analyse: Fehler bei Gleichrichtung

Entwickler entscheiden sich beim Design von Schaltnetzteilen aufgrund verschiedener Vorteile, wie geringere Ausgangswelligkeit und kompakteren Ausmaßen, häufig für Spulenwerte außerhalb des empfohlenen Bereichs. Die Auswahl von Komponenten mit Werten, die zu groß oder zu klein sind, resultiert jedoch in unerwünschten Auswirkungen die zu ernsten Beschädigungen des Chips und zu vermindertem Wirkungsgrad führen können.

Was ist ein Schaltnetzteil?

Ein Schaltnetzteil (SMPS) ist ein sehr effektiver Regler, der die Eingangsspannung entweder herunter- (Abwärtswandler) oder heraufregelt (Aufwärtswandler) oder beides ermöglicht (Ab-/Aufwärtswandler). Die grundlegenden Topologien von Schaltreglern sind in Bild 1 dargestellt.

Jedes Schaltnetzteil speichert Energie in einer Spule und nutzt Techniken der Pulsweitenmodulation (PWM = Pulse Width Modulation), um eine gewünschte Ausgangsspannung zu generieren.

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Die Basis dieser Wandler ist das Spannungs-Sekunden-Gesetz (Volt Second Balance Law): Wenn der Wandler in einem eingeschwungenen Zustand betrieben wird, muss der Durchschnittsstrom in der Spule Null sein. Das bedeutet, dass die Spule den gesamten Strom, den sie während der Ladung gespeichert hat, auch wieder abgeben muss, bevor eine neue Periode beginnt.

So funktioniert der Betrieb von Abwärtswandlern

Die Leistungsstufe eines Abwärtswandlers besteht aus vier Komponenten: dem Top-FET, der von einem Schalter, und dem Bottom-FET, der mit einer Diode repräsentiert wird (siehe Bild 2).

Die Spannung an der Spule ist durch die Formel: V_L = L di_L/dt gegeben. Diese Spannung ist die Differenz der Spannung am Schaltknoten und der Ausgangspannung. Ist der Top-FET eingeschaltet, ist V_L die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung. Ist der Top-FET jedoch ausgeschaltet, dann ist die Differenz 0 V minus der Ausgangsspannung, weil der Schaltknoten auf Masse liegt. Mit di_L/dt (oder ∆i_L) ist die Änderung des Spulenstroms über die Zeit gegeben, allgemein als die Welligkeit des Spulenstroms bezeichnet. Ist der Top-FET geschlossen (und der Bottom-FET geöffnet), speichert die Spule Energie in Form eines magnetischen Feldes, da der Strom durch die Spule ansteigt. Ist der Top-FET geöffnet und das magnetische Feld bricht zusammen, wird vom Bottom-FET ein Pfad auf Masse gelegt. Dies erlaubt, dass der Strom immer noch zur Last fließt, aber er sinkt (Bild 3).

Supercomputing und High-Performance-Computing

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Der Ausgangskondensator wird genutzt, um die Ausgangswelligkeit zu glätten und dabei zu helfen, die gewünschte Ausgangsspannung beizubehalten. Die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers wird von der Formel V_OUT = D×V_IN bestimmt, wobei D die Einschaltdauer ist, die als der prozentuale Anteil der Einzeit an der gesamten Periode bestimmt wird, in der der Top-FET eingeschaltet ist und die Spule lädt.

Welche Rolle spielt die Spulenauslegung?

Wenn man ein SMPS entwickelt, muss der richtige Spulenwert gewählt werden, um eine akzeptable Welligkeit des Spulenstroms (∆i_L) zu erhalten. Es wird empfohlen, dass die Welligkeit des Spulenstroms zwischen 30 % und 40 % des angelegten Laststroms des Abwärtswandlers beträgt. Dieser Bereich wird als optimal angesehen und ist groß genug, um ein akkurates Signal für das Rückkopplungssystem zur Stromregelung zu erfassen und zu liefern. Er darf aber nicht zu groß sein, so dass die Stromversorgung in den Lückbetrieb mit diskontinuierlichem Stromfluss (DCM = Discontinuous Conduction Mode) übergeht. DCM ist ein Zustand, indem die Welligkeit des Spulenstroms zu groß ist und den Strom unter 0 A zwingt, um den Laststrom auf dem gewünschten Wert zu halten. Werden jedoch einmal 0 A erreicht, leitet die Diode in den FETs nicht mehr, was verhindert, dass der Strom unter 0 A abfällt. Ein allgemeiner Weg, den korrekten Spulenwert zu ermitteln, kann über die folgende Formel beschritten werden:

L=(V_OUT×(V_OUT-V_IN))/(Δi_L×f_Switching×V_IN)

Diese Formel zeigt, dass die Schaltfrequenz und Induktivität umgekehrt proportional zueinander sind. Das bedeutet, dass sich bei höheren Schaltfrequenzen die Ladezeit verkürzt, was wiederum einen korrekten Betrieb mit kleinerer Spule erlaubt.

Griff in die Bauteil-Box

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Welche Auswirkungen hat es, wenn der Strom durch die Spule den Sättigungsbereich übersteigt?

Einer der häufigsten und schwerwiegendsten Fehler bei der SMPS-Entwicklung ist es, bei der Auswahl der Leistungsspule den Stromsättigungsbereich nicht zu beachten. Wenn der Strom durch die Spule den Sättigungsbereich übersteigt, geht der Spulenkern in die Sättigung über. Das heißt, dass das generierte magnetische Feld nicht länger proportional zum gezogenen Strom steigt. Dies verletzt das Spannungs-Sekunden-Gesetz und führt zu einem Verlust der linearen Charakteristik sowohl der Welligkeit des Spulenstroms als auch der Welligkeit der Ausgangsspannung. Geht der Eisenkern in Sättigung verliert er rapide an Induktivität und verhält sich dann mehr wie ein Widerstand und nicht mehr wie eine Spule. Da der effektive Reihenwiderstand (ESR = Effective Series Resistance) der Spule steigt und die Induktivität sinkt, muss die Stromänderung ansteigen, um das Spannungsgleichgewichtsgesetz zu erfüllen. Die im gesättigten Stromverlauf zu erkennenden Spitzen werden vom exponentiellen Anstieg der Stromänderung hervorgerufen. Diese Stromspitzen übertragen sich auf die Ausgangsspannung, was zu stärkerem Rauschen und höheren Spannungsspitzen führt. Dieses Rauschen und die Spannungsspitzen können potenziell nachgelagerte Komponenten zerstören, wenn die Spannungsspitzen zu groß sind und den maximalen Spannungsbereich der nachgelagerten Komponenten übersteigen. Darüber hinaus verschlechtert sich auch noch das EMV-Verhalten.

Bei großen Stromschwankungen zeigt die Spule darüber hinaus rapide Ummagnetisierungsverluste, was zu einer übermäßigen Wärmeabgabe (Bild 4), sowie auch hörbarem Rauschen führt. Diese überschüssige Wärme kann naheliegende Komponenten schädigen, insbesondere den Regler-Chip selbst.

Wie kann das Design optimiert werden, um Schäden zu vermeiden?

Um Probleme zu verhindern, sollten Entwickler Spulen mit einem Strombereich wählen, der mindestens zweimal größer ist als der erwartete Maximalstrom. Zum Berechnen des Maximalstroms ist es auch wichtig sowohl die Welligkeit des Spulenstroms als auch den vom Ausgang gezogenen Laststrom zu beachten. Zudem können die Entwickler das Datenblatt der gewählten Spule zur Hand nehmen, um herauszufinden, bei welchem Strom die Induktivität um 10 % bis 30 % des nominalen Wertes abfällt. So ist die Sättigung definiert. Die Auswahl einer Spule mit dem geeigneten Stromsättigungsbereich resultiert in einem normalen Betrieb des Systems, was man am linearen Stromverlauf durch die Spule erkennt. Die Spitzen auf der Ausgangsspannung verschwinden dann. Und schließlich arbeitet das System mit einer wesentlichen niedrigeren Temperatur, was die Komponenten weniger stresst und die Lebensdauer des Systems erhöht.

Um dieses Problem zu beseitigen, sollten Entwickler Sorgfalt bei der Wahl der Spule walten lassen und eine wählen, die eine Stromwelligkeit von rund 30% bis 40% aufweist. Damit wird die Größe der Spulenstromwelligkeit reduziert und das System zurück vom DCM in den CCM-Betrieb (CCM = Continuous Conduction Mode) gebracht. Dies verbessert die Ausgangswelligkeit und entfernt die Spannungsspitzen. Hat ein Entwickler Probleme, die gewünschte Spule zu berechnen und eine geeignete Komponente zu wählen, kann er LTPowerCAD verwenden, was ihm beim Design und der Auswahl der Komponenten für die Leistungsstufe hilft.

Unterdimensionierte Spule

Häufig bevorzugen die Entwickler geringere Ausmaße, da Spulen mit kleineren Werten wegen der geringeren Windungszahl üblicherweise auch kleinere physikalische Dimensionen haben. Ist die Spule jedoch zu klein, wird der Welligkeitsstrom zu groß und zwingt die Wandler in den DCM-Betrieb, was bei Schaltnetzteilen wegen dem geringeren Wirkungsgrad und der schlechteren elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) unerwünscht ist. Das verschlechterte EMV-Verhalten zeigt sich im Schwingen (Ringing) im Schaltknoten und auch im LC-Kreis (der eine Resonanzschaltung kreiert). Dieses Schwingen wird auf die Ausgangsspannung übertragen und führt zu einer höheren Welligkeit und höheren Spannungsspitzen. Zudem ist die Stromversorgung nicht länger im Betrieb mit kontinuierlichem Stromfluss (CCM) und die hergeleiteten SMPS-Ausgangsformeln gelten damit nicht länger.

Überdimensionierte Spule

Die mit dem Schaltnetzteil verbundene nachgelagerte Elektronik hat üblicherweise spezielle Versorgungsspannungen mit entsprechender Toleranz. Wenn die Welligkeit auf dem Spanungspegel jedoch zu groß ist, hat dies drastische Auswirkungen auf den Betrieb des Systems. Wenn ein Mikrocontroller beispielsweise eine spezifizierte Versorgungsspannung von 3,3 V ± 50 mV hat und die Welligkeit seiner Versorgung über ± 50 mV liegt, kann dies dazu führen, dass der Mikrocontroller abschaltet. Um diese Welligkeit zu glätten, versuchen Entwickler häufig die Größe der Spule zu erhöhen. Ist die Spule jedoch zu groß ausgelegt, sinkt die Welligkeit des Stroms zusammen mit der der Ausgangsspannung signifikant. Obwohl sich dies sehr erwünscht anhört, führt es zu Problemen im Rückkoppelsystem und kann auch in einem wesentlich langsameren Einschwingverhalten resultieren. Eine geringe Welligkeit macht es für den Reihenmesswiderstand extrem schwierig Änderungen zu erkennen, weil dadurch die übliche dreieckige Signalform, die in die Rückkoppelschleife eingespeist wird, gestört ist. Wenn die Spulenstromwelligkeit klein ist, verschlechtert sich auch das Signal/Rauschverhältnis (SNR = Signal-to-Noise-Ratio). Dies resultiert in einer Messung des Rauschens der Rückkoppelschleife, da das Signal von der Spule, in unerwünschter Instabilität am Ausgang resultiert, was sich wieder als Jitter manifestiert.

Zusätzlich ist bei Spulen mit höheren Werten der Bereich des Sättigungsstroms üblicherweise kleiner. Dies kann zur Sättigung der Spule führen, was gefährlich für das System werden kann.

Um dieses Problem zu mindern, müssen die Entwickler im Sinn behalten, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung durch Ändern der gewählten Ausgangskondensatoren gesteuert werden kann. Die Welligkeit der Ausgangsspannung kann entweder durch Erhöhen des Wertes des Ausgangskondensators oder seines ESR reduziert werden, ohne den Wert der Spule erhöhen zu müssen. Dies erlaubt es die Welligkeit des Spulenstroms auf einem Wert zwischen 30 % und 40 % zu halten, was es der Fühlarchitektur ermöglicht, das Signal akkurat zu erfassen. (bs)