Qualifizierung von Schaltnetzteilen

Zuverlässigkeit geht vor

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Die methodische Überprüfung der Schaltnetzteile vermeidet Fehlverhalten und sichert die Stabilität des Gesamtsystems.
Die methodische Überprüfung der Schaltnetzteile vermeidet Fehlverhalten und sichert die Stabilität des Gesamtsystems.

Gleichspannungswandler - oder auch DC/DC-Converter - sind zentrale Bestandteile von Embedded Systemen. Trotz ihrer Bedeutung wird ihre Qualifizierung in der Industrie oft vernachlässigt, was zu unerwarteten Herausforderungen führen kann.

Ohne eine sorgfältige Qualifizierung können Probleme wie Fehlverhalten beim Ein- und Abschalten, übermäßige thermische Belastung, Gegentaktstörungen (Ripple) oder Switch Node Ringing auftreten. Eine Fehlersuche nach Auslieferung ist mit hohen Kosten und Disruption im Projekt verbunden. Dagegen sichert eine methodische Überprüfung der Schaltnetzteile die Stabilität des Gesamtsystems. Bei HEITEC nimmt ihre ausführliche Qualifizierung sowie Simulation deshalb stets einen bedeutenden Platz ein. Die wesentlichen Qualifizierungsschritte werden nachfolgend im Einzelnen beleuchtet.

Layout und Design

Um eine gründliche Qualifizierung zu erreichen, ist zunächst das Wesentliche zu beachten. Zu Beginn müssen Herstellerangaben und technische Prinzipien kontrolliert sowie Schaltentwürfe mithilfe von Schaltungssimulationen verifiziert werden. SPICE-Modelle sollten realitätsnah sein und mit Datenblättern abgeglichen werden. Im Zweifelsfall gilt, immer besser dokumentierte Bauteile einzusetzen. Sodann sieht der Qualifizierungsprozess die Festlegung von klaren Grenzwerten für Spannung, Ripple und Stromaufnahme vor. Für die sorgfältige Vorbereitung der Messungen muss eine Testspezifikation erstellt werden. Eine ausführliche Planung sowie detaillierte Dokumentation sind der Schlüssel zum Erfolg. Dies schließt die Beschreibung der Schaltung, der Messgeräte und des Messaufbaus mit ein, um reproduzierbare Ergebnisse zu ermöglichen.

Transientes Spannungsverhalten

Insbesondere das transiente Spannungsverhalten muss gründlich untersucht werden, sowohl beim Ein- als auch beim Abschalten der Spannungsschiene. Bei der Analyse müssen Überschwinger, Einschwingzeiten und Inrush-Ströme überprüft werden. Für reproduzierbare Messungen empfiehlt sich ein sorgfältiger Testaufbau etwa mit Pinheadern. Bei tiefgreifenderen Messungen, wie sie im Folgenden noch beschrieben werden, sind filigranere Aufbauen vonnöten.

Strom- und Temperaturbelastung

Die Qualifizierung der Strom- und Temperaturbelastung umfasst Tests zur typischen Stromaufnahme, maximalen Belastbarkeit und Temperaturentwicklung. Hierbei werden reale Daten mit Simulationen verglichen sowie Grenzbereiche und Schutzmechanismen getestet, um Überhitzung zu vermeiden. Für zuverlässige Ergebnisse sollten für eine gute Kontaktierung niederohmige Verbindungskabel direkt an den Ausgangskondensatoren platziert werden.

Ripple-Qualifizierung

Die Qualifizierung des Ripples konzentriert sich auf die Gegentaktstörungen, die vom Schaltwandler verursacht werden. Dagegen lassen sich gezielt schaltungstechnische Maßnahmen ergreifen, etwa durch den Einsatz geeigneter Filter und die Anpassung der Schaltfrequenz. Die Messung des Ripple erfordert allerdings besondere Vorsicht, weil hochfrequente Effekte die Genauigkeit beeinflussen können. Optimierte Messverfahren sind deshalb essenziell für präzise Ergebnisse.

Switch Node Ringing

Das Phänomen entsteht durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten etwa in den Transistoren eines Schaltwandlers, insbesondere beim Umschalten zwischen High(HS)- und Lowside(LS)-Transistoren. Diese parasitären Elemente können zu Schwingungen am Schaltknoten, unerwünschten Spannungsspitzen und EMV-Problemen führen und den Transistor langfristig belasten. Dagegen helfen verschiedene Maßnahmen wie die Optimierung insbesondere des Low Side Transistor Layouts gegen parasitäre Effekte, der Einsatz eines Gate-Widerstands am High Side Transistor zur Steuerung der Flankenanstiegszeit oder ein Stützkondensator oder Snubber-Netzwerk zur gezielten Ableitung der Schwingungen. Außerdem kann eine Bootstrap-Schaltung am High Side Transistor zur Anpassung der Schaltflanken eingesetzt werden.

Regler-Stabilität

Die Qualifizierung der Regler-Stabilität stellt sicher, dass die Ausgangsspannung unter verschiedenen Lastbedingungen innerhalb der definierten Testmaske bleibt. Es gibt zwei bewährte Tests, um dies festzustellen: Der Lastsprung-Test prüft die Reaktion auf plötzliche Laständerungen. Die Bode-Messung misst die Stabilität des Regelkreises, indem mittels Signalgenerator eine Störspannung eingespeist und die Verstärkung analysiert wird. Die so bestimmte Phasen- und Amplitudenreserve stellt Stabilität und eine konstante Ausgangsspannung sicher.

Fazit

Die umfassende Qualifizierung von Schaltnetzteilen minimiert Risiken und sichert eine verlässliche Funktionalität. Durch gezielte Stabilitätsmessungen kann sichergestellt werden, dass das Schaltnetzteil unter allen Betriebsbedingungen kontrolliert arbeitet. Eine sorgfältige Planung und ausführliche Dokumentation sind entscheidend, um Fehler frühzeitig zu erkennen und kostspielige Nacharbeiten zu vermeiden. HEITEC setzt deshalb auf präzise Simulation und detaillierte Tests, um die Zuverlässigkeit der Schaltnetzteile und damit eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten.

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