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AdvancedTCA und Telekom Leistungs-FET dämpft als aktives Filter Gegentaktstörungen

Autor / Redakteur: Bob Lanoue* / azubi 625

Bei der Entwicklung eines AdvancedTCA- oder Telecom-Boards greift der Entwickler gerne auf getaktete Leistungsteile zurück, weil diese höhere Wirkungsgrade und weniger Verlustleistung garantieren. Allerdings erzeugen die hohen Schaltspannungen und -ströme dieser Bauteile Störspannungen. Aktive Filter können Gleich- und Gegentaktstörungen von getakteten Wandlern reduzieren. Sind diese Filter mit einer Hot-Swap-Funktion ausgestattet, lassen sich die Redundanzanforderungen von AdvancedTCA- oder Telecom-Systemen problemlos erfüllen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Höhe von Störspannungen getakteter Wandler beeinflussen u.a. die Topologie und die verwendeten Bauelemente, die Schaltfrequenz, Layout und Höhe, Frequenz sowie die Flanken der erzeugten Wechselspannungen. Sicherlich gibt es Topologien, die weniger Störungen verursachen, doch auch diese werden zumindest in Bezug auf abgestrahlte Störungen die für ATCA-Boards geforderten Werte ohne korrekte Beschaltung nicht erreichen. Einen Ausweg bietet der Einsatz von passiven und aktiven Filtern. Im Vergleich zu passiven Filtern benötigen aktive Lösungen weniger Platz, wenn die Schaltfrequenzen im unteren Frequenzband für leitungsgebundene Störungen rangieren und der Strom im Bereich von 3 bis 15 A liegt.

Meistens fehlen für die verwendeten Wandler exakte Angaben hinsichtlich der Störspannungen, die sie erzeugen. Die Bestimmung einer idealen Filterlösung erfordert daher entsprechende Messungen. Für Standardwandler liegen mitunter die Daten geeigneter passiver Filter in Form von diskreten Bauelementen oder kompletten Filtern vor. Allerdings kann bei kleinen Leiterplatten der Platz, den eine passive Lösung benötigt, zum Problem werden.

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Eingangsspannung wird auf jedem Board separat gewandelt

Abschnitt 4 der Spezifikation ATCA PICMG 3.0 definiert eine Leistung von bis zu 200 W pro Board. Dabei müssen die Eingangsspannung vom 48- oder 60-V-Bus auf jedem Board im Rack separat gewandelt werden und jedes einzelne Board die Störgrenzen nach EN55022, Kategorie B erfüllen. Die Spezifikation erlaubt bis zu 16 Boards pro Rack und erfordert für leitungsgebundene Störungen über den Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz einen zusätzlichen Störabstand von mindestens 18 dB in einem Rack. Dies ist nötig, damit selbst voll bestückte Systeme unterhalb der geforderten Störgrenzen liegen.

In Bild 1 wird ein Standardwandler mit einem Spektrumanalysator (Peak-Peak-Messung) und einem speziellen Filter gemessen, um den Anteil der Gegentaktstörungen aus dem Gesamtspektrum zu trennen. Die Auswirkungen eines aktiven Gegentaktfilters im Vergleich zu den Grenzwerten der EN55022, Klasse B zeigen die rote (vor dem Filter) und die blaue Kurve (nach dem Filter). Auf diese Weise lassen sich die Spitzen der Störspannungen sowohl bei der Grundfrequenz als auch bei den Harmonischen in dBµV angeben.

Um eine hohe Systemzuverlässigkeit zu erzielen, definiert die Spezifikation PICMG 3.0 eine redundante Architektur für den Leistungs- und Datenkommunikationsbus. Die Einschübe sind so entworfen, dass bei einem Ausfall die Funktion des Systems nicht unterbrochen wird. Sollte ein Fehler auftreten, kann das defekte Board während des Betriebs erkannt und ersetzt werden. Durch das Einsetzen des Ersatzgerätes sollen weder der Leistungs- noch der Datenbus gestört werden. Das erfordert somit ein Leistungsmanagement für das Wechseln der Platine im Betrieb sowie ein Intelligent Platform Management Interface (IPMI). Diese Schaltung muss auf jeder Platine vorhanden sein.

In einem aktiven Filter können die Dämpfung der Gegentaktstörungen und eine Hot-Swap-Funktion miteinander kombiniert werden, wenn der Leistungs-FET zur Strombegrenzung entsprechend beschaltet wird (Bild 2). Zusammen mit zusätzlichen Bauelementen bildet U1 die Strombegrenzung, während U2 und U3 für die aktive Filterung verantwortlich sind. Die Zulassungsmessung der Leiterplatte oder des Systems wird in einer typischen Betriebs- oder Testkonfiguration umgesetzt. Die Strombegrenzung kommt nur beim Systemstart sowie einem Wechsel oder Ausfall der Platine zum Einsatz. Sobald die Kapazität am Eingang vollständig geladen ist und keine andere Störung besteht, wird der Leistungs-FET durch die Hot-Swap-Steuerung angesteuert, um möglichst geringe Leitungsverluste im Betrieb zu erzeugen. Durch die doppelte Verwendung des FETs muss im Fehlerfall die Hot-Swap-Funktion Vorrang vor der Filterfunktion haben.

Vom Wandler erzeugter Schaltstrom wirkt wie Konstantstrom am Eingangsbus

Das aktive Filter bildet für Störströme eine hohe Impedanz, indem die Drain-Source-Spannung und somit der Strom durch den FET entsprechend dem Wechselstromfluss durch den Sense-Widerstand geregelt wird. Die aktive Schleife regelt den FET-Widerstand derart, dass die vom Konverter generierten Schaltströme nur noch wie ein konstanter Strom am Eingangsbus wirken. Der FET muss daher so angesteuert werden, dass sein Widerstand etwas oberhalb des minimal möglichen Rdson-Wertes liegt – um genügend Spannungsreserve für die Ausregelung der Störströme im Bereich von etwa 10 mA zu besitzen.

Durch Verwendung eines Analogverstärkers mit großer Bandbreite für U2 lassen sich die Störspannungen am Strombegrenzungswiderstand erkennen und für die Ansteuerung des Gates am FET verwenden. Dadurch ändert sich der Reihenwiderstand des FETs; die Wechselspannungskomponente des Stroms vom Bus wird zu Null. In Abhängigkeit von den FET-Eigenschaften lässt sich der Spannungsabfall mittels U3 sehr niedrig halten. Dies reduziert die Verluste im Vergleich zu den Störströmen und der effektiven Dämpfung des Filters.

Eine Induktivität kann die Messung für beide Funktionen übernehmen, wenn deren Widerstandswert jenem Wert entspricht, der für die Strombegrenzung beim Hot Swap benötigt wird. Allerdings schafft dies nicht nur Vorteile, sondern auch zusätzliche Herausforderungen beim Aufbau der Schaltung. Im Hinblick auf reduzierte Störströme bringt die Induktivität eine weitere passive Dämpfung. Zusammen mit dem Eingangskondensator eines Wandlers bildet sie ein Zwei-Pol-Filter (40 dB/Dekade), dessen Resonanzfrequenz durch Induktivität und Eingangskapazität bestimmt wird. Die mit der Frequenz zunehmende Impedanz sorgt für eine höhere Signalspannung, wodurch sich die Dämpfung des aktiven Filters im unteren Frequenzbereich verbessert.

Um den FET besser zu schützen, verwenden einige Hot-Swap-Designs einen Thermistor zur Temperaturmessung. Mit steigender Temperatur steigt der Widerstand der Kupferdrähte in der Induktivität und führt zur Reduzierung der Strombegrenzung mit steigender Temperatur (weil der Widerstand zunimmt, die Referenzspannung aber konstant bleibt). Dies reduziert im Fehlerfall die Leistungsspitze im FET. Die Verwendung einer Induktivität würde im Vergleich zum Einsatz eines Präzisionswiderstandes eine höhere Toleranz für die Strombegrenzung bedeuten. Deshalb muss zuerst eine sorgfältige Analyse der Bauteiltoleranzen und sicheren Arbeitsbereiche des FETs und der Induktivität erfolgen. Bild 3 zeigt die Simulation der Strombegrenzung beim Wechsel der Leiterplatte im Betrieb – einmal mit einem Widerstand, einmal mit einer Induktivität zur Strommessung (zweite Kurve). Der Entwickler muss auf eine ausreichend hohe Gain-Phase-Marge der geschlossenen Schleife achten, weil eine Induktivität Reaktion und Stabilität einer Stromregelschleife beeinflusst.

Ferner muss die Hot-Swap-Schaltung Vorrang haben vor der Filterfunktion. Die Regelung des FETs muss daher so dimensioniert werden, dass sie die Schutzfunktionen nicht behindert. Unter Verwendung eines Power Good-Signals wird die Filterfunktion so lange unterdrückt, bis alle Versorgungsspannungen einwandfrei anliegen. Dabei kommt es darauf an, den Steuerkreis für das Filter so zu entwerfen, dass sich der FET auch im Fehlerfall einwandfrei ansteuern lässt. Diese Schaltung hängt von den Eigenschaften der Hot-Swap-Steuerung ab. Die Schaltung in Bild 2 zeigt somit nur die Basisschaltung mit der Schnittstelle als Funktionsblock.

Störspannungen deutlich reduzieren

Durch die weitere Entwicklung der MicroTCA-Systemanforderungen wird sich zeigen, welche Vorteile die Kombination eines aktiven Filters mit einem Hot-Swap-Regler zur Dämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen bringt. Wenn mit einem redundanten Power-Eingangsmodul eine 12-V-Intermediate-Bus-Spannung erzeugt werden soll, um POL-Wandler zu versorgen, benötigt jede Platine ohnehin eine Hot-Swap-Funktion (also eine Funktion, um das Board im Feld bei laufendem Betrieb auszutauschen). Das Ergebnis dieser Kombination sind deutlich reduzierte Störspannungen, die die getakteten POL-Wandler generieren und die über die Leitungen zum Power-Eingangsmodul geleitet werden.

Picor, Tel. +49(0)89 9624390

*Bob Lanoue arbeitet als Manager für Systems & Application Engineering bei der amerikanischen Picor Corporation in North Smithfield, Rhode Island, einem Tochterunternehmen der Vicor Corporation.

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