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(Bild: Peterschreiber.Media - stock.adobe.com)

In der heutigen Zeit werden immer umfangreichere Elektronik- und Computersysteme auf immer engerem Raum untergebracht, weshalb elektromagnetische Interferenzen (EMI) beim Systemdesign ständig an Bedeutung gewinnen.

Parallel dazu wird unter anderem aus Umweltschutz- und Kostengründen angestrebt, die Elektronik auf möglichst effiziente Weise, das heißt mit größtmöglichem Wirkungsgrad mit Strom zu versorgen. Genau hier stellt sich ein Zielkonflikt ein, denn eine getaktete Stromversorgung ist zwar die effizienteste Stromversorgungs-Technik, aber je steiler die Schaltflanken sind und je weiter die Schaltfrequenzen in die Höhe getrieben werden, umso stärkere Störaussendungen gehen von solchen geschalteten Stromversorgungen aus.

Wenn umfangreiche Elektroniksysteme auf kleinem Raum untergebracht werden, ist beim Systemdesign auf elektromagnetische Interferenzen zu achten. Störungen werden beispielsweise dadurch hervorgerufen, dass die verwendeten Bauelemente parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten aufweisen. Ebenso können ungewollter Jitter und absichtliches Dithering Quellen von Störungen sein. Zur Unterdrückung dieser Störgrößen dienen zum Beispiel passive und aktive Filterlösungen. Auch das Leiterplatten-Layout spielt eine Rolle, ebenso wie das Gehäuse. Des Weiteren können das Spread-Spectrum-Verfahren oder eine Anstiegsraten-Kontrolle bei der EMI-Reduzierung helfen.

Das sind die Ursachen elektromagnetischer Interferenzen

Die Ursachen für die Entstehung solcher Störgrößen lassen sich anhand eines Abwärtswandlers (Buck Converter) in einem batteriebetriebenen System (Bild 1) anschaulich erläutern.

Bild 1: Vereinfachter Schaltplan und Signalverläufe eines typischen Abwärtswandlers
Bild 1: Vereinfachter Schaltplan und Signalverläufe eines typischen Abwärtswandlers (Bild: Texas Instruments)

Der Schaltknoten wird hier fortlaufend zwischen Eingangsspannung (VIN) und Massepotenzial (GND) umgeschaltet. Durch Filtern der Spannung am Schaltknoten ergibt sich eine gemittelte Gleichspannung, die im Fall eines Abwärtswandlers irgendwo zwischen VIN und GND liegt. Die Schaltvorgänge bewirken, dass am Eingang eine Welligkeit mit der Schaltfrequenz zu beobachten ist, während die rechteckförmigen Schaltflanken zum Entstehen höherfrequenter Oberschwingungen führen. Dabei werden die Frequenzen der Oberschwingungen umso höher, je steiler die Schaltflanken sind. Aufgrund der trapezförmigen Welligkeit des Eingangsstroms sind auch hier hochfrequente Oberschwingungen anzutreffen.

Die in den Schaltungen verwendeten Bauelemente sind nichtideal und weisen daher parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auf, die mit den Spannungen und Strömen (und untereinander) in Wechselwirkung treten und zu sehr hochfrequenten Störgrößen und Oszillationen führen. Ebenso können ungewollter Jitter und absichtliches Dithering (bei Verwendung der Spread-Spectrum-Technik) niederfrequente Oszillationen und Störungen hervorrufen.

Eindämmung von Störgrößen durch passive Filterlösungen

Es gibt geeignete passive Filterlösungen zur Unterdrückung unerwünschter Störgrößen. Zum Beispiel kann der Eingang des Schaltwandlers mit einer seriellen Induktivität (LIN) und einem parallelen Filterkondensator (CF) versehen werden. Allerdings muss der Kondensator hierbei für die maximale Gleichspannung ausgelegt sein, was ihn groß und teuer macht. LIN wiederum ist für den maximalen Eingangsstrom bei minimaler Eingangsspannung zu dimensionieren, wodurch auch dieses Bauteil größer und kostspieliger wird.

Zu den passiven Filterlösungen sind ebenfalls Ferritperlen zu rechnen, die durch eine hohe differenzielle Impedanz bei sehr hohen Frequenzen gekennzeichnet sind. (Die Impedanz von Ferritperlen wird deshalb in der Regel bei einer Frequenz von 100 MHz spezifiziert.)

Stromkompensierte Drosseln wiederum dienen zum Ausfiltern von Gleichtakt-Störgrößen bei Frequenzen von 10 bis 300 MHz.

CLC-Technik

Konventionelle EMI-Filter in CLC-Technik (Kapazität, Induktivität, Kapazität) sind als Tiefpass konfiguriert und unterdrücken die Übertragung von Störgrößen an Knoten, die eigentlich frei von Störungen wären. Bei der Dimensionierung der Bauteile helfen geeignete Tools.

Aktive EMI-Filter (AEF)

Bei der aktiven EMI-Filterung erfasst eine Verstärkerschaltung die eingangsseitigen Störgrößen und kompensiert diese durch Einspeisen eines gegenphasigen Signals. Der passive Kondensator CF wird hier also durch eine Art „aktiven Kondensator“ ersetzt. Für das Operationsverstärker-Netzwerk werden zwar Rückkopplungs- und Kompensations-Bauteile benötigt, aber diese sind kleiner und kostengünstiger als ein großer passiver Filterkondensator.

Bei der AEF-Implementierung kann eine kapazitive Erfassung und Einspeisung sicherstellen, dass keine Gleichströme in die Schaltung hinein oder aus ihr herausfließen. Die Größe der AEF-Schaltung ist dadurch unabhängig von der DC-Leistung, und es muss lediglich die Welligkeit des Eingangsstroms kompensiert werden.

Das Leiterplatten-Layout spielt eine wichtige Rolle

Eine wichtige Rolle bei AEF-Lösungen spielt das Leiterplatten-Layout. Leiterschleifen sollten eine möglichst geringe Fläche umschließen, möglichst weit von Rauschquellen entfernt angeordnet sein und direkt mit einer Massefläche verbunden werden, in der keine großen Ströme fließen. In Bild 2 etwa sind die Leiterbahnen SEN und INJ direkt an den Kompensations-Bauteilen RAEFC, CAEFC und RAEFDC (im blauen Kasten) angeschlossen.

Bild 2: Schaltplan eines aktiven EMI-Filters (a) und empfohlenes Layout (b)
Bild 2: Schaltplan eines aktiven EMI-Filters (a) und empfohlenes Layout (b) (Bild: Texas Instruments)

Sinnvoll ist es außerdem, CSEN nah am Kompensations- und am Injektionsdämpfungs-Netzwerk RDAMP, CDAMP und CINJ gegenüber der Sensing-Schaltung zu platzieren (roter und gelber Kasten). Die eingangsseitigen Kompensations-Bauteile CINC und RINC schließlich sollten unbedingt mit einer möglichst rauscharmen Masse verbunden werden (violette Kästen).

Das Spread-Spectrum-Verfahren

Mithilfe der Spread-Spectrum-Technik, also durch Variieren der Schaltfrequenz um einen gewissen Betrag, lassen sich die Spitzen der elektromagnetischen Störungen auf einen größeren Frequenzbereich verteilen, was eine Reduzierung um bis zu 10 dBµV ermöglicht. Für die verschiedenen Frequenzbänder bieten sich unterschiedliche Methoden zum Variieren (Dithering) der Schaltfrequenz an, wobei die EMI-Signatur durch die verwendete Modulationsfrequenz in der Regel um niederfrequente Störkomponenten erweitert wird.

Dreiecksmodulation

Bei der Dreiecksmodulation erfolgt die Modulation der Schaltfrequenz mit einem dreieckförmigen Profil, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Grundfrequenz führt. Diese Variante eignet sich besser bei niedrigen Frequenzen.

Pseudo-zufällige Modulation

Bei der pseudo-zufälligen Modulation wird die Schaltfrequenz nach jedem Zyklus zufällig variiert, was nicht unbedingt eine gleichmäßige Verteilung ergibt. Allerdings hat sich dieses Verfahren bei hohen EMI-Frequenzen besser bewährt, denn die Zeitspannen, über die die EMI-Messungen vorgenommen werden, sind möglicherweise kürzer als die Periodendauer der Dreiecks-Modulation.

Eine ungünstige Eigenschaft der Dreiecksmodulation besteht darin, dass hörbare Störgeräusche bei der Modulationsfrequenz und ihren Oberschwingungen entstehen können. Diese Stör-Töne werden im Prinzip auch bei der pseudo-zufälligen Modulation erzeugt, verteilen sich aber zu einer Art weißem Rauschen.

DRSS-Modulation

Beide genannten Verfahren lassen sich zur DRSS-Modulation (Dual Random Spread Spectrum) kombinieren. Dabei wird die dreieckförmig modulierte Schaltfrequenz zusätzlich nach einem pseudo-zufälligen Muster moduliert.

Das Modulieren der Schaltfrequenz verändert den Welligkeitsstrom des Wandlers, der wiederum eine Welligkeit der durchschnittlichen Ausgangsspannung entsprechend der Frequenzmodulation bewirkt. Hier kann eine aktive Welligkeits-Kompensation entgegenwirken.

Echte Anstiegsraten-Kontrolle

Die Anstiegsraten-Kontrolle bezeichnet die Fähigkeit, die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung und des Stroms in einem Abwärtswandler zu begrenzen, um die hochfrequenten Störaussendungen einzudämmen. Wird die Frequenz immer weiter angehoben, wird der im Idealfall rechteckförmige Wellenverlauf am Schaltknoten zunehmend trapezförmig, und die Oberschwingungen fallen mit 40 dB/Dekade ab. Werden die Anstiegsraten durch die Variation der Treibstärke des high-seitigen FET reduziert, können die Oberschwingungen bereits bei niedrigen Frequenzen abfallen, um die Stärke der Störaussendungen insgesamt zu verringern und größeren Spielraum zur Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte zu haben.

Anstiegsraten-Begrenzung mithilfe eines RBOOT-Pins

Zum Begrenzen der Anstiegsrate reicht es im Prinzip aus, einen Widerstand mit dem Boot-Kondensator in Reihe zu schalten. Hierdurch kann allerdings die Bootstrap-Spannung des high-seitigen Treibers so gering werden, dass seine Unterspannungs-Sperre anspricht und der ordnungsgemäße Betrieb beeinträchtigt wird. Besser ist dagegen die in Abwärtswandlern wie dem LM61460­Q1 oder dem LM61495-Q1 implementierte Anstiegsraten-Begrenzung mithilfe eines speziellen RBOOT-Pins (Bild 3).

Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild eines Abwärtswandlers mit echter Anstiegsraten-Kontrolle
Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild eines Abwärtswandlers mit echter Anstiegsraten-Kontrolle (Bild: Texas Instruments)

Je höher der Widerstand an RBOOT ist, umso länger wird die Anstiegszeit am Schaltknoten. Durch präzises Regulieren der Anstiegszeit kann der Anwender das Roll-off-Verhalten der Oberschwingungen am Schaltknoten genau beeinflussen. In einigen Anwendungen erlaubt dies sogar den Verzicht auf Abschirmmaßnahmen mit einer entsprechenden Reduzierung des Platzbedarfs.

Die Bedeutung des Gehäuses

Sehr verbreitet eingesetzt wird bei Schaltwandlern das konventionelle QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead), bei dem der Halbleiterchip über Bonddrähte mit dem Leadframe des Gehäuses verbunden ist. Diese Drahtverbindungen führen unweigerlich zu höheren parasitären Induktivitäten, die wiederum gemeinsam mit der parasitären Kapazität des Schaltknotens bei jeder Schaltflanke Resonanzen zur Folge haben, aus denen letztendlich elektromagnetische Störgrößen resultieren können.

Hot-Rod-Gehäuse

Abhilfe schafft hier das Hot-Rod-Gehäuse von TI, bei dem der Halbleiterchip kopfüber eingebaut und ohne Bonddrähte am Gehäuse befestigt wird. Das Resultat sind deutlich niedrigere parasitäre Induktivitäten. Abwärtswandler wie der LM61460-Q1, der LMQ61460-Q1 oder der LM61495-Q1 können im Hot-Rod-Gehäuse geliefert werden, das zusätzlich eine optimierte Anschlussbelegung für den Eingang erlaubt. Die Eingangsstromschleife ist dabei symmetrisch auf beide Seiten des Bausteins aufgeteilt (siehe Bild 4), sodass sich die von den stromdurchflossenen Leiterbahnen erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben.

Bild 4: Symmetrische Anschlussbelegung des HotRod-Gehäuses
Bild 4: Symmetrische Anschlussbelegung des HotRod-Gehäuses (Bild: Texas Instruments)

Integrierter HF-Entkopplungskondensator ohne und mit Ferritperle

Die durch steile Stromflanken gekennzeichnete Eingangsstromschleife wirkt sich auf die elektromagnetischen Störaussendungen in den höheren Frequenzbereichen aus. Bauelemente mit einem integriertem HF-Entkopplungskondensator am Eingang verkleinern auf effektive Weise die Fläche der Schleifen mit steilen Stromflanken und tragen damit zur EMI-Reduzierung bei. Durch das direkte Auflöten der integrierten Kondensatoren auf den Leadframe innerhalb des Gehäuses verringert sich zudem die parasitäre Induktivität der Eingangsschleife. Wie Labormessungen ergeben haben, sind die Störaussendungen bei einem Baustein mit integriertem Kondensator um rund 8 dBµV geringer als bei einem entsprechenden IC ohne integrierten Kondensator (in beiden Fällen ohne Ferritperle). Ist eine Ferritperle vorhanden, liegt die Verbesserung zwischen 2 und 3 dBµV. Zum Einsatz kommt diese Gehäusekonstruktion unter anderem bei den Abwärtswandlern LMQ61460-Q1 und LM62440-Q1, bei denen die integrierten Entkopplungs-Kondensatoren für ein niedrigeres EMI-Niveau sorgen als die Anstiegsraten-Kontrolle. Selbstverständlich kann letztere dennoch ergänzend genutzt werden, um die EMI-Eigenschaften eines Designs weiter zu verbessern.

Fazit

Beim Design elektronischer Systeme kann es eine große Herausforderung sein, eine Lösung zu erarbeiten, die sowohl kompakt ist als auch den teils rigorosen EMI-Normen entspricht. Ein Schaltwandler muss hierzu aus den richtigen Bauelementen zusammengesetzt und unter Verwendung neuester Verfahren zur EMI-Reduzierung entwickelt werden, damit das Gesamtsystem auch in Umgebungen mit hohem Störaufkommen sicher und zuverlässig funktioniert. Eine Kombination aus aktiver EMI-Filterung, DRSS-Modulation mit Welligkeits-Kompensation und echter Anstiegsraten-Kontrolle bietet insgesamt gute Voraussetzungen, den gesetzten Vorgaben gerecht zu werden. Die Verwendung von Bauelementen auf der Basis neuester Gehäusetechnik tut ein Übriges, um das EMI-Niveau eines Designs wirksam zu senken.

Jimmy Hua, Analog Applications Engineer, Wide Input Buck Switching Regulators bei Texas Instruments Orlando Murray, Analog Applications Engineer, Wide Input Buck Switching Regulators bei Texas Instruments  

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