Power-Tipp Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern eindämmen

Von Dan Tooth, Jim Perkins *

Die Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern setzt sich aus drei Komponenten zusammen. Wenn Sie mit diesem Hintergrundwissen die passenden externen Bauelemente wählen und das Layout sorgfältig planen, erhalten Sie eine kompakte, kosteneffektive Lösung mit optimierter Welligkeit. Wir zeigen, wie es geht.

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Bild 1: 
Typische Zusammensetzung 
der Ausgangswelligkeit von 
Abwärtswandlern.
Bild 1: 
Typische Zusammensetzung 
der Ausgangswelligkeit von 
Abwärtswandlern.
(Bild: TI)

Um die Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern zu verringern, müssen Sie das Phänomen der Welligkeit zunächst einmal verstehen. Meist sind drei Komponenten beteiligt (Bild 1), die wir nachfolgend etwas genauer beschreiben:

  • Eine dreieckförmige Welle entsteht durch den Spannungsabfall, den der Spulenstrom am ESR der Ausgangskondensatoren verursacht. Wenn dieser (bei einem X5R-Keramikkondensator mit 22 µF) 2 mΩ beträgt, entsteht bei einer Peak-to-Peak-Stromwelligkeit von 1 A eine Welligkeitsspannung von 2 mV (bzw. weniger, wenn mehrere Kondensatoren parallelgeschaltet werden).
  • Eine pseudo-sinusförmige Komponente resultiert aus dem Ausgangskondensator. Mit den eben genannten Werten entstehen hier etwa 8 mV – bei Parallelschaltung entsprechend weniger.
  • Eine rechteckförmige Komponente fällt schließlich an der ESL (effektive Serieninduktivität) des Ausgangskondensators ab, die für den erwähnten Kondensator ca. 0,5 nH beträgt, was eine Welligkeit von rund 2 mV ergibt.

Bild 2: Mi t dem Oszi gemessene Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern.
Bild 2: Mi t dem Oszi gemessene Ausgangswelligkeit von Abwärtswandlern.
(Bild: TI)

Messen Sie mit dem Oszilloskop nach, erkennen Sie Spitzen an den Flanken und einen höheren Rechteckanteil, dessen Polarität sich ändert, wenn Sie die Anschlüsse der Induktivität vertauschen (Bild 2).

Was hat es mit den Spitzen auf sich und wie lassen sie sich eindämmen? Gelangt eine steile Spannungsflanke an die parasitäre Kapazität der Spule, entsteht eine hohe Stromspitze im Kondensator, die ihrerseits eine hohe Spannungsspitze an der ESL des Ausgangskondensators hervorruft.

Abhilfe schafft einer Spule mit geringerer parasitärer Kapazität. Diese ist meist umso niedriger, je geringer der Induktivitätswert und der Nennstrom sind, weshalb Sie hier jegliche Überdimensionierung vermeiden sollten.

Sie können zusätzlich den ESL-Wert des Ausgangskondensators verringern, indem Sie ein Bauteil mit möglichst kleinem Gehäuse wählen oder mehrere kleine Kondensatoren parallelschalten. Auch die Steilheit der Spannungsflanken am Schaltknoten sollte reduziert werden. Bei einigen Reglern lässt sich diese direkt einstellen, aber es geht auch mit einem kleinen Widerstand in Reihe mit dem Bootstrap-Kondensator (allerdings auf Kosten der Effizienz).

Das von einer ungeschirmten Induktivität ausgehende Magnetfeld kann bis über die Umgrenzung des Bauteils hinausreichen und in die ESL der Kondensatoren (sowie in die Ausgangs-Leiterbahnen) einkoppeln und dort die rechteckförmige Welligkeits-Komponente erzeugen. Bauen Sie die Induktivität mit vertauschten Anschlüssen ein, fließt der Strom in der Spule in die umgekehrte Richtung, sodass die Rechteck-Komponente invertiert wird.

Einkopplungen eindämmen: Geschirmte Induktivitäten und ESL

Eindämmen lässt sich die Kopplung durch Verwendung einer geschirmten Induktivität oder einer solchen, die größere Abmessungen in x- und y-Richtung aufweist und dafür flacher ist, denn dies verringert die Höhe des Luftspalts und damit den Streufluss.

Außerdem sollten Sie den ESL-Wert der Ausgangskapazität reduzieren, wie oben beschrieben. Die Ausgangskondensatoren und die Leiterbahnen sollten außerdem nicht unmittelbar neben der Induktivität platziert werden, wo das Magnetfeld am stärksten ist. Bei knappen Platzverhältnissen können Sie die Induktivität beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte anordnen (Clamshell-Konfiguration).

Mit diesem Hintergrundwissen ausgestattet, lassen sich die einzelnen Komponenten der Ausgangswelligkeit unterscheiden. Wenn Sie daraufhin die passenden externen Bauelemente wählen und das Layout sorgfältig planen, erhalten Sie eine kompakte, kosteneffektive Lösung mit optimierter Welligkeit.

* Dan Tooth ist Principal Analogue Field Applications Engineer (MGTS) bei Texas Instruments in Edinburgh / UK. Jim Perkins ist Senior Principal Analogue FAE & MGTS bei Texas Instruments in Leeds / UK.

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