Signalkonditionierung

Störspektren bei mehreren Schaltreglern verringern

| Redakteur: Kristin Rinortner

Die Mehrphasensynchronisation gehört zur Methode, bei der mehrere Schalter mit einer einzigen Taktfrequenz betrieben werden, die aber eine Zeitverschiebung zwischen jedem Regler aufweisen. Dies reduziert den Spitzenschaltstrom durch die zeitliche Staffelung des Einschaltzeitpunktes für jeden Regler dahingehend, dass es einen Eingangsstrom gibt, der dorthin gezogen wird, wo vorher eine Totzone war.

So haben mehrere Schaltregler, die gegenphasig synchronisiert sind, im Gegensatz zur gleichphasigen Synchronisation einen geringern Spitzenstrom und deshalb auch eine geringere elektromagnetische Störstrahlung.

Ergänzendes zum Thema
 
Störspektren und deren Reduktion

Die Phasensynchronisation erhöht auch die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Interferenzen. (Da die Zahl der Taktphasen ansteigt, sinkt die effektive Taktperiode und eine höherfrequente Störstrahlung ist das Ergebnis). Dies erlaubt eine einfachere Reduzierung der elektromagnetischen Interferenzen, da das Filtern bei höheren Frequenzen effektiver ist.

Bei Einsatz mehrerer parallel geschalteter Regler anstatt eines einzigen Reglers bietet die Phasensynchronisation zwei zusätzliche Vorteile:

  • Das Vermeiden von Brummströmen sowohl am Ein- als auch am Ausgang erlaubt eine deutliche Verkleinerung der Ein- und Ausgangskondensatoren.
  • Es ist nur eine kleinere äquivalente Induktivität erforderlich, wodurch sich eine höhere Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms ergibt.

Spreizspektrum-Frequenzmodulation (SSFM)

Zusätzlich zur Mehrphasensynchronisation können elektromagnetische Interferenzen durch das kontinuierliche Variieren der Frequenz des Taktgebers der Schaltregler verbessert werden. Diese Technik, die so genannte Spreizspektrum-Frequenzmodulation (SSFM), verringert die Interferenzen, da emittierte Energie im Band eines beliebigen Empfängers nicht für einen längeren Zeitraum verweilt (Bild 2).

Es gibt vier grundlegende Punke, über die man eine maximale Effektivität der Spreizspektrum-Frequenzmodulation erzielen kann: Die Bandbreite des Empfängers, die Modulationsart der Frequenz, die Frequenzspreizung und die Modulationsrate.

Die Charakteristika von Empfängern berücksichtigen

Wenn man Störstrahlung berücksichtigen muss, sollte man die Bandbreite der von Interferenzen betroffenen Empfänger kennen. Diese Empfänger könnten reale Systembausteine sein oder Empfänger, die zur Konformität mit dem Standard CISPR 16-1 verwendet werden. (Glücklicherweise benutzen die Regulierungsbehörden Empfänger mit Bandbreiten, die denen realer Geräte entsprechen). Die Bandbreite des Empfängers bestimmt zwei wichtige Eigenschaften: den Frequenzbereich, in dem der Empfänger anspricht und die Reaktionszeit des Empfängers, wenn er Interferenzen ausgesetzt ist.

Modulationsart

Die meisten Schaltregler zeigen eine Ausgangswelligkeit (Brummen), die mit der Frequenz variiert; mehr Brummen bei geringen Frequenzen und weniger bei höheren Schaltfrequenzen. Die Welligkeit eines Schaltreglers erzeugt eine Amplitudenmodulation, sofern der schaltende Takt frequenzmoduliert ist. Wenn das modulierende Signal des Taktgebers periodisch ist, wie z.B. ein Sinus- oder Dreieckssignal, wird eine periodische Brummmodulation und eine ausgeprägte spektrale Komponente bei der Modulationsfrequenz erzeugt.

Da die modulierende Frequenz sehr viel kleiner ist als der Takt des Schaltreglers, ist es möglicherweise schwierig, sie herauszufiltern. Das kann aufgrund des Einkoppelns von Rauschen der Versorgung oder begrenzter Störunterdrückung der Stromversorgung in der nachfolgenden Schaltung zu Problemen führen, wie z.B. hörbare Töne oder sichtbare Display-Artefakte.

Mit einer pseudozufälligen Frequenzmodulation lässt sich dieses periodische Brummen vermeiden. Bei der pseudozufälligen Frequenzmodulation verschiebt sich der Takt von einer Frequenz zur nächsten auf pseudozufällige Weise. Da das Ausgangsbrummen des Schaltreglerausgangs von einem rauschähnlichen Signal amplitudenmoduliert ist, sieht der Ausgang so aus, als gäbe es keine Modulation und die Auswirkungen auf das nachfolgende System sind vernachlässigbar.

Modulationsstärke

Wenn der Bereich der SSFM-Frequenzen ansteigt, wird der Prozentsatz an Verweilzeit im Frequenzband verkürzt. Wenn das abgestrahlte Signal selten oder, relativ zu seiner Antwortzeit, nur für kurze Zeit in das Band des Empfängers eintritt, lässt sich die Störstrahlung signifikant reduzieren.

Eine Frequenzmodulation von ±10 % wird z.B. wesentlich effektiver für die EMI-Reduktion als eine Frequenzmodulation von ±2 % (±2 % SSFM ist üblich bei Mikroprozessoren und Datentakten, weil sie keine große Frequenzänderungen vertragen). Die Schaltregler besitzen jedoch einen begrenzten Frequenzbereich, innerhalb dessen sie arbeiten können. Als generelle Regel gilt, die meisten Schaltregler tolerieren leicht eine Frequenzänderung von ±10 %.

Modulationsrate

Ähnliches gilt auch bei der Modulationsrate: wenn der Anteil der Frequenzmodulation steigt, sinkt die Zeitspanne für die Interferenzen „im Band“ für einen vorgegebenen Empfänger und die Störstrahlung wird reduziert. Es gibt jedoch eine Grenze für den Wert der Frequenzänderungen (dF/dt), die ein Schaltregler verkraften kann. Dazu muss man die höchste Modulationsrate herausfinden, die die Ausgangsregelung des Schaltreglers nicht beeinflusst.

Silizium-Oszillatoren bieten eine ideale Plattform für Mehrphasen-Spreizspektrum-Taktgeneratoren für Schaltregler. Man hat einerseits einen Taktgeber in der Schaltung, andererseits können diese Halbleiterbausteine die Spreizspektrum-Modulation und Mehrphasenausgänge kombinieren.

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