Sehr störungsarmer Filter für isolierte DC/DC-Wandler
04.03.2019
Alle isolierten DC/DC-Wandler enthalten Schaltelemente, die elektrische Störungen verursachen. Die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten eines Leistungsschalttransistors führen zu einer hohen induktiven Last wie ein Transformator, so dass Schaltresonanzen unvermeidlich sind. Ein einfacher DC/DC-Wandler, der mit einer moderaten Schaltfrequenz von einigen hundert Kilohertz arbeitet, kann ein Störungsprofil bis hoch zu 20 MHz haben.
Solche hochfrequenten Störungen breiten sich im ganzen Wandler aus, springen über die Koppelkapazitäten innerhalb der Bauelemente von Leitung zu Leitung und vom Eingang zum Ausgang. Zudem verursacht der pulsierende Energiefluss vom Eingang zum Ausgang einen Welligkeitsstrom am Ausgang sowie einen reflektierten Welligkeitsstrom am Eingang. Diese pulsierenden Ströme induzieren Spannungen geringerer Frequenz in allen induktiven Elementen wie Drähten, Leiterbahnen auf Platinen, Durchkontaktierungen oder Pins. Wenngleich die Spannungswelligkeit an Eingang und Ausgang durch zusätzliche Eingangs- und Ausgangs-Kapazitäten verringert werden kann, sind die Gleichtaktstörgrößen schwieriger zu filtern, weil sie über beiden Seiten des Eingangs oder Ausgangs auftreten und so für den Filter nicht “sichtbar” sind (Abb. 1).
Abb.1: Gleichtaktstörungen in einem DC/DC-Wandler (aus dem DC/DC Book of Knowledge1)
Für eine Stromversorgung mit sehr geringer Restwelligkeit der Ausgangsspannung und sehr geringen Störspannungen sind drei separate Filter erforderlich, die jeweils einen anderen Bereich des Störungsspektrums filtern:
1: Ausgangs-Welligkeitsfilter. Dieser Filter verringert die pulsierende Restwelligkeit am Ausgang, die durch den regulären Energietransfer über den Wandler entsteht. Jeder Schaltzyklus erzeugt einen Stromimpuls, der vom Ausgangskondensator aufgenommen werden muss. Zwischen den Zyklen der Energieübertagung muss der Ausgangskondensator selbst die Last versorgen. Die Spannung am Ausgangskondensator steigt und fällt in jedem Schaltzyklus mit einer charakteristischen Sägezahnform (Abb. 2).
Abb. 2: Typische Ausgangswelligkeit und Wellenform der Störungen bei einem DC/DC-Wandler
Dieser Sägezahnform sind die hochfrequenten Schaltstörungen infolge von Resonanzeffekten bei jedem Einschalten (Vce fällt rasch) oder Ausschalten (Vce steigt rasch) des Leistungstransistors überlagert. Die hochfrequenten Störungen sind daher synchron zu den Spitzen und Tiefen im Schaltzyklus.
2: Eingangs-Welligkeitsfilter. Bei jedem Einschalten des Leistungstransistors steigt der Eingangsstrom rasch an, bei jedem Ausschalten sinkt er rasch. Diesem Welligkeitsstrom überlagert gibt es einige Gleichtaktstörungen, die der Eingangskondensator nicht ausfiltern kann. Allgemein sind die Störgrößen auf der Eingangsseite aber geringer als auf der Ausgangsseite, weil die Netzstromversorgung eine Quelle mit geringer Impedanz ist, die einen Großteil hochfrequenter Störungen absorbiert. Ein typischer reflektierter AC-Welligkeitsstrom am Eingang ist in Abb. 3 dargestellt.
Abb. 3: Reflektierter Welligkeitsstrom
3. Der Wandler verhält sich wie eine Quelle mit hoher Impedanz zwischen Eingang und Ausgang. Deshalb können Schaltstörungen über die Koppelkapazität zwischen den Windungen leicht den Wandler überbrücken. Störungen lassen sich durch einen Rückweg geringer Impedanz vom Ausgang zum Eingang vermindern, indem ein Kondensator über den Isolationsspalt ergänzt wird.
Wir haben uns die Aufgabe gestellt, eine isolierte Stromversorgung mit einer Restwelligkeit und Störspannungen von weniger als 5mV Spitze-Spitze zu konstruieren. Solche störungsarmen Stromversorgungen werden für hochempfindliche Verstärkerschaltungen zum Messen sehr kleiner Signale sowie für Anwendungen der hochauflösenden Signalverarbeitung wie etwa für 24-bit A-D-Wandler benötigt.
Wir verwendeten einen DC/DC-Wandler R1ZX-0505, dessen Ausgang mit einem integrierten Linearregler geregelt ist. Dieser ist bereits störungsarm mit typischen Störspannungen von 30mV Spitze-Spitze.
Im ersten Schritt wurde ein Kondensator 2nF zwischen –Vout und +Vin hinzugefügt. Gegenüber der Koppelkapazität des Wandlers von 100pF bietet der Kondensator 2nF einen Rückweg mit deutlich geringerer Impedanz. Dieses eine Bauelement verringert die Störungen am Ausgang erheblich, hat aber kaum Auswirkung auf die Restwelligkeit an Eingang und Ausgang.
Im zweiten Schritt wurden Kondensatoren zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Pins hinzugefügt. Zwei 10µF MLCCs wurden parallel geschaltet, um den effektiven ESR (Ersatzserienwiderstand) zu verringern. Sie sind sowohl über dem Eingang als auch über dem Ausgang angeordnet. Damit war die Restwelligkeit an Eingang und Ausgang erheblich reduziert, aber die Gleichtaktstörungen am Ausgang waren noch deutlich sichtbar. Abb. 4 zeigt die Ausgangs-Wellenform.
Es sah so aus, als müssten nur noch diese hochfrequenten Schaltspitzen ausgefiltert werden. Sie sind jedoch nur schwer zu beseitigen, weil sie durch Gleichtakt-Interferenzen entstehen und das Hinzufügen weiterer Kapazität oder von LC-Filtern keine Wirkung hat.
Abb. 4: Ausgangs-Wellenform mit Glättungskondensatoren an Eingang und Ausgang.
In unserer Gleichtakt-Musterbox probierten wir verschiedene Kombinationen von Gleichtakt-Drosseln, um eine optimale Lösung zu finden. Am Eingang war eine Drossel 50µH in einem PI-Filter zusammen mit zwei weiteren Kondensatoren erforderlich. Selbst mit der hohen Gleichtaktunterdrückung (CMRR) eines Linearreglers musste die Eingangs-Restwelligkeit noch unter Kontrolle gebracht werden. Ein ähnlicher Gleichtakt-PI-Filter wurde an den Ausgang gebracht, wobei sich eine kleinere Drossel mit 10µH als ausreichend erwiesen hat (Abb. 5 und 6).
Abb. 5: Vollständiges Filterdesign
Ungefilterter Ausgang (nur mit C3)
Gefilterter Ausgang (mit stromkompensierten Drosseln)
Abb. 6: Ausgangs-Wellenformen vorher und nachher (gleiche Skala)
Schlussfolgerung: Mit den Gleichtakt-Filtern wurden Störspannungen und Restwelligkeit am Ausgang unter Volllast von etwa 2mV Spitze-Spitze gemessen. Jede Änderung des Wertes eines Bauelementes verschlechterte dieses Ergebnis, so dass dies der Minimalwert ist. Der ganze Filter mag komplex erscheinen, dies ist aber erforderlich, um alle unterschiedlichen Störquellen zu bekämpfen und eine exzellente störungsarme Stromversorgung (-68dB) zu bauen. Da die erforderlichen Bauelemente klein sind, ist nur wenig zusätzlicher Platz auf der Platine nötig.
RECOM: We Power your Products
---------------------------------
1, please refer to the DC/DC Book of Knowledge
Abb.1: Gleichtaktstörungen in einem DC/DC-Wandler (aus dem DC/DC Book of Knowledge1)
Für eine Stromversorgung mit sehr geringer Restwelligkeit der Ausgangsspannung und sehr geringen Störspannungen sind drei separate Filter erforderlich, die jeweils einen anderen Bereich des Störungsspektrums filtern:
1: Ausgangs-Welligkeitsfilter. Dieser Filter verringert die pulsierende Restwelligkeit am Ausgang, die durch den regulären Energietransfer über den Wandler entsteht. Jeder Schaltzyklus erzeugt einen Stromimpuls, der vom Ausgangskondensator aufgenommen werden muss. Zwischen den Zyklen der Energieübertagung muss der Ausgangskondensator selbst die Last versorgen. Die Spannung am Ausgangskondensator steigt und fällt in jedem Schaltzyklus mit einer charakteristischen Sägezahnform (Abb. 2).
Abb. 2: Typische Ausgangswelligkeit und Wellenform der Störungen bei einem DC/DC-Wandler
Dieser Sägezahnform sind die hochfrequenten Schaltstörungen infolge von Resonanzeffekten bei jedem Einschalten (Vce fällt rasch) oder Ausschalten (Vce steigt rasch) des Leistungstransistors überlagert. Die hochfrequenten Störungen sind daher synchron zu den Spitzen und Tiefen im Schaltzyklus.
2: Eingangs-Welligkeitsfilter. Bei jedem Einschalten des Leistungstransistors steigt der Eingangsstrom rasch an, bei jedem Ausschalten sinkt er rasch. Diesem Welligkeitsstrom überlagert gibt es einige Gleichtaktstörungen, die der Eingangskondensator nicht ausfiltern kann. Allgemein sind die Störgrößen auf der Eingangsseite aber geringer als auf der Ausgangsseite, weil die Netzstromversorgung eine Quelle mit geringer Impedanz ist, die einen Großteil hochfrequenter Störungen absorbiert. Ein typischer reflektierter AC-Welligkeitsstrom am Eingang ist in Abb. 3 dargestellt.
Abb. 3: Reflektierter Welligkeitsstrom
3. Der Wandler verhält sich wie eine Quelle mit hoher Impedanz zwischen Eingang und Ausgang. Deshalb können Schaltstörungen über die Koppelkapazität zwischen den Windungen leicht den Wandler überbrücken. Störungen lassen sich durch einen Rückweg geringer Impedanz vom Ausgang zum Eingang vermindern, indem ein Kondensator über den Isolationsspalt ergänzt wird.
Wir haben uns die Aufgabe gestellt, eine isolierte Stromversorgung mit einer Restwelligkeit und Störspannungen von weniger als 5mV Spitze-Spitze zu konstruieren. Solche störungsarmen Stromversorgungen werden für hochempfindliche Verstärkerschaltungen zum Messen sehr kleiner Signale sowie für Anwendungen der hochauflösenden Signalverarbeitung wie etwa für 24-bit A-D-Wandler benötigt.
Wir verwendeten einen DC/DC-Wandler R1ZX-0505, dessen Ausgang mit einem integrierten Linearregler geregelt ist. Dieser ist bereits störungsarm mit typischen Störspannungen von 30mV Spitze-Spitze.
Im ersten Schritt wurde ein Kondensator 2nF zwischen –Vout und +Vin hinzugefügt. Gegenüber der Koppelkapazität des Wandlers von 100pF bietet der Kondensator 2nF einen Rückweg mit deutlich geringerer Impedanz. Dieses eine Bauelement verringert die Störungen am Ausgang erheblich, hat aber kaum Auswirkung auf die Restwelligkeit an Eingang und Ausgang.
Im zweiten Schritt wurden Kondensatoren zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Pins hinzugefügt. Zwei 10µF MLCCs wurden parallel geschaltet, um den effektiven ESR (Ersatzserienwiderstand) zu verringern. Sie sind sowohl über dem Eingang als auch über dem Ausgang angeordnet. Damit war die Restwelligkeit an Eingang und Ausgang erheblich reduziert, aber die Gleichtaktstörungen am Ausgang waren noch deutlich sichtbar. Abb. 4 zeigt die Ausgangs-Wellenform.
Es sah so aus, als müssten nur noch diese hochfrequenten Schaltspitzen ausgefiltert werden. Sie sind jedoch nur schwer zu beseitigen, weil sie durch Gleichtakt-Interferenzen entstehen und das Hinzufügen weiterer Kapazität oder von LC-Filtern keine Wirkung hat.
Abb. 4: Ausgangs-Wellenform mit Glättungskondensatoren an Eingang und Ausgang.
In unserer Gleichtakt-Musterbox probierten wir verschiedene Kombinationen von Gleichtakt-Drosseln, um eine optimale Lösung zu finden. Am Eingang war eine Drossel 50µH in einem PI-Filter zusammen mit zwei weiteren Kondensatoren erforderlich. Selbst mit der hohen Gleichtaktunterdrückung (CMRR) eines Linearreglers musste die Eingangs-Restwelligkeit noch unter Kontrolle gebracht werden. Ein ähnlicher Gleichtakt-PI-Filter wurde an den Ausgang gebracht, wobei sich eine kleinere Drossel mit 10µH als ausreichend erwiesen hat (Abb. 5 und 6).
Abb. 5: Vollständiges Filterdesign
Ungefilterter Ausgang (nur mit C3)
Gefilterter Ausgang (mit stromkompensierten Drosseln)
Abb. 6: Ausgangs-Wellenformen vorher und nachher (gleiche Skala)
Schlussfolgerung: Mit den Gleichtakt-Filtern wurden Störspannungen und Restwelligkeit am Ausgang unter Volllast von etwa 2mV Spitze-Spitze gemessen. Jede Änderung des Wertes eines Bauelementes verschlechterte dieses Ergebnis, so dass dies der Minimalwert ist. Der ganze Filter mag komplex erscheinen, dies ist aber erforderlich, um alle unterschiedlichen Störquellen zu bekämpfen und eine exzellente störungsarme Stromversorgung (-68dB) zu bauen. Da die erforderlichen Bauelemente klein sind, ist nur wenig zusätzlicher Platz auf der Platine nötig.
RECOM: We Power your Products
---------------------------------
1, please refer to the DC/DC Book of Knowledge
Anwendungen
