Leistungswandler (DC/DC-Wandler) sind dafür bekannt, die Schaltungen selbst sorgfältig entwickelter Systeme zu stören. Konkret leiten diese Wandler unerwünschte Lasten gegen Masse (GND), was zu fehlerhaften digitalen Signalen, Fehlfunktionen von Flipflops, elektromagnetischen Störungen (EMI), analogen Spannungsfehlern und schädlichen Überspannungen führt. Dieser Artikel erläutert die zwei Hauptquellen für dieses Masserauschen und gibt Empfehlungen zu dessen Reduzierung.
Problem 1: Masserauschen.
Abbildung 1 zeigt einen idealen Abwärtswandler mit konstantem Laststrom. Die Schalter t1 und t2 öffnen und schließen und unterbrechen so die Eingangsspannung Vin über die Schaltungen Lbuck und Cbuck. Weder der Spulenstrom noch die Kondensatorspannung ändern sich sprunghaft, und der Laststrom ist konstant. Erwartungsgemäß fließen alle Schaltspannungen und -ströme gleichmäßig durch Lbuck bzw. Cbuck. Ein idealer Abwärtswandler erzeugt kein Masserauschen.
Erfahrene Entwickler wissen jedoch, dass Abwärtswandler eine bekannte Rauschquelle sind. Dies bedeutet, dass in Abbildung 1 wichtige physikalische Elemente fehlen.
Jede Ladungsbewegung erzeugt ein Magnetfeld. Jeder Strom in einem Draht, Widerstand, Transistor, Supraleiter und selbst jeder Plattenstrom in einem Kondensator erzeugt ein Magnetfeld. Der magnetische Fluss F<sub>B</sub> ist das Magnetfeld B, das durch eine Stromschleife mit der Fläche A verläuft, und entspricht dem Produkt des Magnetfelds, das die Schleifenoberfläche rechtwinklig schneidet: F<sub>B</sub> = B · A. Das Magnetfeld in einem Abstand r um den Draht ist direkt proportional zum elektrischen Strom im Draht: B = m₀I/2πr.
Elektrische Bauteile besitzen eine bestimmte Länge, und die Ladung muss durch die verschiedenen Drahtsegmente von einem Bauteil zum nächsten fließen. Die bewegte Ladung erzeugt jedoch ein Magnetfeld; daher kann das Diagramm in Abbildung 1 verbessert werden. Abbildung 2 zeigt ein optimiertes Modell eines einfachen Abwärtswandlers.
In Abbildung 2 ist der Draht in jeder Hinsicht ideal, mit der Ausnahme, dass der Strom in jedem Segment eine gewisse Strecke zurücklegen muss, um von einer elektrischen Komponente zur nächsten zu gelangen. Während dieser Ladungsfluss stattfindet, entsteht um die elektrisierten Drähte ein Magnetfeld, und der magnetische Fluss durchdringt die Schleifen der Schalter t1 und t2.
Änderungen der Stromschleifenflächen t1 und t2 sind die Hauptursache für das Masserauschen im Schaltwandler. Der magnetische Fluss in der Vin-t1-Masseschleife nimmt mit jedem Schaltzyklus zu und ab. Dieser sich ändernde Fluss induziert eine Spannung in allen Teilen der Schleife, einschließlich der idealen Masseleitung. Diese induzierte Spannung lässt sich durch keine Kupfermenge, nicht einmal durch einen Supraleiter, eliminieren. Die einzige Lösung besteht darin, den sich ändernden magnetischen Fluss zu reduzieren.
Bei sich änderndem magnetischem Fluss werden drei Faktoren unterschieden: die Änderungsrate, die Magnetfeldstärke und die Schleifenfläche. Da Taktfrequenz und maximaler Ausgangsstrom Designanforderungen sein können, ist die Minimierung der Schleifenfläche die beste Lösung.
Die Induktivität ist proportional zum magnetischen Fluss; daher zeigt Abbildung 3 ein elektrisches Modell für Abbildung 2, in dem der sich ändernde Strom in der parasitären Induktivität Lp1 – im Gegensatz zum konstanten Strom in der parasitären Induktivität Lp2 – zu Grundrauschen führt.
Obwohl Abbildung 3 das Problem anschaulich darstellt, kann sie das physikalische Modell in Abbildung 2 nicht vollständig ersetzen. Abbildung 3 zeigt die von den parasitären Induktivitäten Lp1 und Lp2 induzierte Spannung, während in der Realität die Spannung überall in einer Schleife mit sich änderndem magnetischem Fluss induziert wird. Dennoch dient dieses Schaltungsschema dazu, zu zeigen, wie induziertes Grundrauschen reduziert werden kann.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, zirkuliert der Rückstrom gegen Erde und ändert sich in Lp1, was zu Spannungsschwankungen führt. Durch die sorgfältige Positionierung des Eingangskondensators (siehe Abbildung 4) wird die Fläche des parasitären magnetischen Flusses jedoch reduziert, und der sich ändernde Strom des Reduzierstücks fließt über einen Pfad, der den Rückstrom gegen Erde umgeht.
In diesem Fall ist der Strom in den parasitären Induktivitäten Lp1 und Lp2 konstant; folglich ist die Spannung gegen Erde stabil. Darüber hinaus reduziert die Verringerung dieser Fläche des magnetischen Flusses proportional die elektromagnetischen Störungen (EMI) und alle anderen unerwünschten induzierten Schleifenspannungen, wie das Modell in Abbildung 3 zeigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptursache für Massestörungen in Schaltwandlern in Änderungen der magnetischen Flussfläche liegt. Ein gut durchdachtes Leiterplattendesign minimiert durch die optimierte Leiterbahnführung und die präzise Positionierung des Bypass-Kondensators die Änderung der Stromschleifenfläche und die damit verbundenen Stromschwankungen im Masserückleitungspfad.
Problem 2:
Das zweite Hauptproblem der Erdungsstörungen, wie in Abbildung 5 dargestellt, resultiert aus der parasitären Induktivitätskapazität.
Spannung und Strom können sich an einem Kondensator bzw. einer Induktivität nicht sprunghaft ändern. Daher hängen Spannungsänderungen am Knoten LX direkt von der parasitären Kapazität der Abwärtswandler-Induktivität CL und dem Filter-Abwärtswandler-Kondensator Cbuck ab, die in den parasitären Erdungsinduktivitäten Lp1 und Lp2 auftreten.
Anfangs fließt kein Strom, doch nach kurzer Zeit baut sich in allen Bauteilen Strom auf, bis die im parasitären Abwärtskondensator ECL = 1/2 CLVLX2 gespeicherte Energie auf das parasitäre Magnetfeld des Drahtes ELp = 172 Lpi2cambiante_max übertragen wird (wobei Lp die Summe aller parasitären Induktivitäten in der Schleife ist). Anschließend oszilliert die unerwünschte Energie zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld, bis sie von den in Abbildung 5 nicht dargestellten Widerstandselementen abgeführt wird.
Sowohl die Spitzenspannung als auch die Dauer einer Grundrauschschwingung sind problematisch. Die Spitzenspannung, gemessen am Knoten Vgb, ist eine Funktion der Spannungsänderung am Knoten LX, der parasitären Kapazität der Abwärtswandlerspule (CpL) und der zusätzlichen parasitären Leiterbahnkapazität (nicht dargestellt). Eine große CpL speichert mehr Energie, daher ist weniger mehr. Nach Auswahl der Induktivität und des Nennstroms der Abwärtswandlerspule sollte eine Spule mit der höchsten Eigenresonanzfrequenz gewählt werden, um die CpL-Kapazität zu begrenzen.
Die Eigenresonanzfrequenz einer Induktivität beträgt: f<sub>Eigenresonanz</sub> = 1/[2π ÷ (L<sub>buckCL</sub>)].
Es ist zu beachten, dass eine Verdopplung der Eigenresonanzfrequenz die parasitäre Kapazität der Induktivität und folglich die Grundrauschenergie um den Faktor vier reduziert.
Wenn die Leistung wichtiger ist als die Kosten, empfiehlt es sich, den gleichen Induktivitätswert beizubehalten, indem die einzelne Lbuck-Spule in Abbildung 5 durch zwei in Reihe geschaltete Spulen mit jeweils der Hälfte der Nenninduktivität Lbuck ersetzt wird (siehe Abbildung 6). Bei Serienfertigung von Spulen ist die parasitäre Kapazität üblicherweise proportional zur Nenninduktivität; daher halbiert sich die Induktivität bei halber Induktivität. Werden Spulen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Werte und erhöhen die Induktivität, während sich die parasitären Kapazitäten als Kehrwert ihrer Werte addieren und somit die gesamte parasitäre Kapazität verringern. Bei einer Reihenschaltung zweier Spulen mit jeweils der Hälfte der Nenninduktivität Lbuck_neu beträgt die Gesamtinduktivität Lbuck_neu, und die gesamte parasitäre Kapazität sinkt um den Faktor 4 auf 1/4 CL.
Diese Verringerung der parasitären Induktorkapazität wird wiederum die Schwingung des Massenniveaus verringern, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Autor:
Von Jeff Barrow, Direktor für analoges IC-Design, Integrated Device Technology, Inc.
Informationen zum Autor
Jeff Barrow arbeitet als Leiter der Abteilung für analoge IC-Entwicklung bei Integrated Device Technology, Inc. in Tucson, Arizona. Zu seinen Aufgaben gehören die Entwicklung und Anwendung von Leistungs-ICs sowie die Entwicklung analoger ICs. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der University of Arizona (Tucson) und interessiert sich persönlich für Geologie, Astronomie, Physik und Elektronik.
