Zunächst zu den geforderten Eckdaten des Schaltreglers: Er soll die Ausgangsleistung von 100 W mit einem Wirkungsgrad von mehr als 95 Prozent umsetzen. Zudem soll er mit einer variablen Eingangsspannung von 14 bis 24 V eine Ausgangsspannung von 18 V mit einer sehr geringen Restwelligkeit von weniger als 20 mVPP erreichen. Das Design sollte möglichst kompakt und kosteneffizient sein, dabei aber alle Richtlinien der Klasse B nach CISPR32 einhalten. Bei der Entwicklung sollen die Entwickler auf jegliche Schirmung verzichten und den Wandler mit Anschlusskabeln von 1 m am Eingang und Ausgang versehen.

Eckdaten

Um die Störaussendung eines High-Power-DC/DC-Converters zu reduzieren, müssen Entwickler am Ein- und Ausgang passende Filter einplanen. Jedoch ist es bei hohen Eingangs- und Ausgangsströmen schwierig, einen Kompromiss zwischen Effizienz, Baugröße, Dämpfung und Kosten der Filter sowie der eigentlichen Leistungsstufe zu finden. Am Beispiel eines 100-W-Buck-Boost-DC/DC-Designs beschreibt dieser Artikel, welche grundlegenden Überlegungen, Layouthinweise und Bauelemente notwendig sind, um einen solchen Kompromiss zu finden.

Blockschaltbild der Filterelemente für je 3 verschiedene Frequenzbereiche.

Bild 1: Blockschaltbild der Filterelemente für je drei verschiedene Frequenzbereiche Würth Elektronik Eisos

Aufgrund dieser strikten Anforderungen ist es unerlässlich, ein sehr niederinduktives und kompaktes Layout zu erstellen und passend zum Wandler abgestimmte Filter zu integrieren. Betrachtet man die EMV, sind die Kabel am Eingang und Ausgang die dominanten Antennen im Frequenzbereich bis 1 GHz. Da ein moderner Vier-Switch-Buck-Boost-Konverter je nach Betriebsart sowohl am Eingang als auch am Ausgang hochfrequente Stromschleifen aufweist, benötigen beide Filter. Das soll verhindern, dass die hochfrequenten Störungen, die durch schnelle Schaltvorgänge der MOSFETs entstehen, über die Kabel geleitet und ebenfalls abgestrahlt werden können. Als Schaltregler kommt der LT 3790 von Linear Technology (Analog Devices) bei einer Schaltfrequenz von 400 kHz zum Einsatz. Dieser verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 60 VDC, eine einstellbare Schaltfrequenz und kann vier externe MOSFETs ansteuern, was eine hohe Flexibilität im Design gewährleistet. Die Leiterplatte ist sechslagig und doppelseitig bestückt. Als MOSFETs kommen die CSD18532Q5B (60 V) von Texas Instruments mit geringem RDS(on), Rth und ESL-Package zum Einsatz.

Auswahl der Drossel

Bild 2: Ansicht der TOP-Lage inkl. aller Filter-Elemente für die Einhaltung der CISPR32 Klasse B.

Bild 2: Ansicht der Top-Lage inklusive aller Filterelemente für die Einhaltung der CISPR32 Klasse B Würth Elektronik Eisos

Bei der Auswahl der Drossel kann die Online-Plattform Redexpert eine Hilfe darstellen. Der Vorteil des Tools ist, dass verschiedene Bauteile nicht nur anhand ihrer offensichtlichen Daten wie etwa Baugröße oder Nennstrom vergleichbar sind. Entwickler können die Bauteile auch anhand der komplexen AC-&-DC-Verluste sowie der resultierenden Bauteilerwärmung vergleichen. Das Tool braucht dazu die Betriebsparameter (Vin, fsw, Iout, Vout, ΔI) zunächst für den Buck- und ein zweites Mal für den Boost-Betrieb. Der Stromripple soll dabei rund 30 Prozent des Nennstroms betragen. Im Buck-Betrieb ergeben sich eine größere Induktivität und ein kleinerer maximaler Spitzenstrom (7,52 µH/5,83 A). Im Boost-Betrieb ergeben sich hingegen eine kleinere Induktivität, aber dafür ist der maximale Spitzenstrom größer (4,09 µH/7,04 A). In dem vorliegenden Fall fiel die Wahl auf eine geschirmte Spule der WE-XHMI-Serie mit 6,8 µH und 15 A Nennstrom. Sie zeichnet sich durch einen geringen RDC und ein weiches, temperaturunabhängiges Sättigungsverhalten aus.

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