1. Evaluierung ist unerlässlich
Die immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen haben dazu geführt, dass ein Großteil der Elektronikentwicklung simuliert und möglichst ohne Hardwareevaluierung und Prototypeniteration produziert werden soll. Während dies in manchen Teilen der Elektronikentwicklung durchaus erfolgreich ist, gibt es bei der Entwicklung von Stromversorgungen ohne Evaluierung im Labor häufig Probleme. Stromversorgungen sind komplexe Systeme, die stark vom Platinenlayout und parasitären Einflüssen definiert werden. Diese Effekte lassen sich meistens nur sehr ungenau abschätzen und simulieren. Natürlich kann man Iterationen in der Hardwareentwicklung auch bei Stromversorgungen durch Erfahrung reduzieren, eine gründliche Überprüfung im Labor ist aber unerlässlich.
2. Ein Berechnungswerkzeug reduziert den Entwicklungsaufwand
Obwohl kein Weg an der praktischen Evaluierung einer Stromversorgung im Labor vorbeiführt, kann man dennoch beim Entwurf viel Zeit und Mühe sparen, wenn man ein Berechnungswerkzeug verwendet. Da sowohl die Auswahl der externen Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren, die Stabilisierung der Regelschleife als auch weitere Einstellungen wie Schaltfrequenz immer Kompromisse darstellen, sind häufig Iterationen bei der Berechnung der Schaltung erforderlich. Diese lassen sich durch Berechnungswerkzeuge stark beschleunigen. Analog Devices stellt ein breites Angebot entsprechender Tools unter www.analog.com zur Verfügung.
3. Externe Komponenten richtig bestimmen
Bei der Auswahl von externen Komponenten ist unbedingt auf den echten Bauteilewert zu achten. Der Nennwert liegt häufig weit vom wirklichen Wert in der Einsatzsituation entfernt. Bei Speicherdrosseln sinkt beispielsweise die Induktivität bei Erwärmung im Betrieb. Keramische Kondensatoren können je nach Material und Bauweise bei einer DC-Spannung einen stark reduzierten Kapazitätswert haben. Diese Eigenschaften sind unbedingt beim Entwurf der Stromversorgung zu berücksichtigen. Fortschrittliche Berechnungswerkzeuge beinhalten die Abweichungen vom Nennwert in der jeweiligen Schaltung bereits.
4. Ausgangsspannungswelligkeit reduzieren
Die Ausgangsspannungswelligkeit ist eine der wichtigen Spezifikationen einer Stromversorgung. Um diese Welligkeit möglichst klein zu machen, wird der Induktivitätswert erhöht, um die Stromwelligkeit zu verringern und die Ausgangskapazität vergrößert. Diese Erhöhung der Bauteilwerte ist aber nur bis zu einer bestimmten Größe sinnvoll. Je nach Stromversorgung und der Verfügbarkeit und Kosten von Speicherdrosseln und Kondensatoren ist die Schwelle, bis zu der eine Vergrößerung sinnvoll ist, unterschiedlich. Wenn die Ausgangsspannung weiter verkleinert werden soll, ist es sinnvoller, einen weiteren kleinen LC-Filter nachzuschalten. Diese zusätzlichen Bausteine sind häufig günstiger als eine starke Vergrößerung der Haupt-LC Stufe der Stromversorgung. Bei einem nachgeschalteten LC-Filter sollte die Regelschleife vor diesem geschlossen werden, um mögliche Regelschleifeninstabilitäten zu vermeiden.
5. Durch Rauschen verursachte Fehler im System
Wenn eine Elektronikentwicklung Störungen aus der Stromversorgung zeigt, sollte man die spezifischen Eigenschaften der Schaltreglertopologie bei der Fehlersuche berücksichtigen. Die meisten Topologien haben eine störarme und eine störende Seite. Bei Abwärtswandlern (Buck) hat die Ausgangsseite sehr niedrige Störungen, da die Ausgangsstufe aus einem LC-Filter besteht. Hier fließt im normalen Betriebszustand ein kontinuierlicher Strom. Die Eingangsseite jedoch hat einen Schalter in Serie, durch den der Eingangsstrom immer wieder unterbrochen wird. Somit ist bei der Abwärtswandler-Topologie besonders die Eingangsseite mit störreduzierenden Maßnahmen wie beispielsweise Filtern zu versehen. Bei Aufwärtswandlern (Boost) ist es genau umgekehrt. Die Ausgangsseite ist stark störbehaftet und die Eingangsseite ist sehr ruhig.
6. EMV - Schaltfrequenz nicht so entscheidend wie die Schaltübergänge
Elektromagnetische Verträglichkeit ist bei Schaltreglern immer ein Thema. Es entstehen leitungsgebundene Störungen, elektrische und magnetische Nahbereichs- sowie elektromagnetische Fernbereichsstörungen. Obwohl man in diesen Störungen im Frequenzspektrum auch die Schaltfrequenz wiederfinden kann, sind die größten Störer die Frequenzen, welche auf den Umschaltvorgängen im Schaltnetzteil basieren. Es gibt bei Schaltreglern immer AC-Strompfade. Dies sind Leitungen, die in einem Schaltzustand Strom führen und im anderen Zustand keinen Strom führen. Die Umschaltung dieser Zustände erfolgt sehr schnell und koppelt sich leicht in die gesamte Elektronik. Die Umschaltzeiten sind je nach Schaltregler-IC und Anwendungsfall in der Größenordnung von 20 ns, was einer Störfrequenz von 50 MHz entspricht. Diese Frequenz ist unabhängig von der Schaltfrequenz.
7. Das Platinenlayout ist eine der wichtigsten Einflüsse auf die Stromversorgung
Die Führung der Leiterbahnen auf der Platine ist bei Stromversorgungen extrem wichtig. Es handelt sich bei der Schaltung um ein Hochfrequenzsystem, das mit hohen Strömen gekoppelt ist. Dadurch wird jede Leitungsinduktivität zu einem großen Störer. Die Auswirkung einer willkürlichen Leiterbahnführung reichen von einer nicht funktionierenden Stromversorgung bis zu EMV- und Spannungswelligkeitsproblemen. Die wichtigste Regel für ein optimiertes Platinenlayout ist das Reduzieren von parasitären Induktivitäten im Pfad der AC-Ströme.
8. Spannungsmessungen an einer Stromversorgung sind HF-Messungen
Bei der Evaluierung einer Stromversorgung muss einem bewusst sein, dass man es mit Hochfrequenzmessungen zu tun hat. Bei Spannungsmessungen im HF-Bereich sollte man nicht die Masseleitungen eines Spannungstastkopfes verwenden. Hierbei koppeln sich Störungen über die Masseleitung ins Oszilloskop zusammen mit dem Signal mit ein. Es sind kurze Masseverbindungen zu verwenden, wie dies bei Hochfrequenzmessungen üblich ist.
9. Neue Möglichkeiten zur galvanischen Trennung des Rückkoppelpfades
Galvanisch getrennte Stromversorgungen im niedrigen Leistungsbereich haben in aller Regel einen primärseitigen Schaltregler-IC. Um die Ausgangsspannung auf der Sekundärseite zu regeln, muss die Regelgröße über die galvanische Trennung geführt werden. Hierfür wurden bis heute fast ausschließlich Optokoppler verwendet. Sie haben den Nachteil, dass sich ihre Übertragungsfunktion mit der Alterung ändert und sie üblicherweise nur bis 85 °C eingesetzt werden können. Neuerdings gibt es isolierte Fehlerverstärker von Analog Devices, die nach dem bewährten Icoupler-Prinzip arbeiten. Die Bauteile ADuM3190 und ADuM4190 sind für eine Isolation bis 2,5 kV sowie 5 kV konzipiert. Hier wird die galvanische Trennung mit integrierten induktiven Kopplern überbrückt.
Die Genauigkeit der Strombegrenzung hilft, Kosten und Platzbedarf zu reduzieren
Bei der Auswahl eines Schaltregler-ICs soll ein häufig unbeachteter Parameter nicht unberücksichtigt bleiben: Die Höhe und Genauigkeit der Strombegrenzung. Diese ist wichtig, damit in einem Überstromfall am Ausgang keine Bauteile beschädigt werden. Eine Strombegrenzung hat jedoch immer eine gewisse Verzögerungszeit. Es ist deshalb sicherzustellen, dass auch bei Strömen um die Schwelle der Strombegrenzung noch genügend Induktivität in der Leistungsdrossel vorhanden ist. Das ist notwendig, damit der Stromanstieg begrenzt ist und die Strombegrenzung genügend Zeit zum Abschalten hat. Wenn nun der Schaltregler-IC eine recht ungenaue Strombegrenzung mit ±30Prozent spezifiziert hat, muss eine Speicherinduktivität ausgewählt werden, die selbst bei der nominalen Strombegrenzung +30 Prozent noch genügend Induktivität hat. Dies erfordert eine für die Anwendung große und teure Spule. Ein Beispiel für eine sehr genaue Strombegrenzung ist Analog Devices ADP1850 mit einer Strombegrenzungsgenauigkeit von ±6 Prozent. Entsprechend kleiner und kostengünstiger fällt die Speicherdrossel aus.
