Power-Tipp Netzteile: So bekommen Sie Stromversorgungsrauschen in den Griff

Von Sam Wallace *

Stromversorgungen werden mit immer höheren Frequenzen getaktet, wodurch Transienten zunehmen. Bei der Entwicklung eines Netzteils können Sie dies mit Klemmdioden kompensieren oder auf speziell ausgelegte Treiber setzen.

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Bild 1: 
Auswirkungen von Stromspitzen (di/dt) auf die Eingänge des Gate-Treibers in einem Leistungswandler.
Bild 1: 
Auswirkungen von Stromspitzen (di/dt) auf die Eingänge des Gate-Treibers in einem Leistungswandler.
(Bild: TI)

Besonders in Stromversorgungen mit hohen Schaltfrequenzen sind Störgrößen an der Tagesordnung. Bild 1 zeigt ein Beispiel. Beim Ein- und Ausschalten des MOSFETs kann es wegen der parasitären Induktivität der Leiterbahnen und der Induktivität des MOSFET am Gatetreiber-IC zum so genannten Ground Bouncing kommen.

Hierbei weicht das Massepotenzial des IC infolge parasitärer Induktivitäten im System vom Massepotenzial des übrigen Systems ab. Der IC registriert ein 0-V-Signal deshalb als negative Spannung, was zu fehlerhaften Logikzuständen oder auch zu Schäden führen kann.

Außerdem erzeugt die während des Schaltens auftretende steile Stromflanke, die proportional zu parasitären Induktivität LSS ist, eine negative Spannungsspitze (Un). Solche negativen Transienten werden mit zunehmender Schaltfrequenz immer problematischer.

Schwierigkeiten machen auch Spannungsspitzen am Ausgang des Treibers. Wenn sie die Maximalspannung des Treibers überschreiten, können sie diesen sogar beschädigen. Unter Umständen ändert sich auch der Ausgangszustand des Treibers unabhängig vom jeweiligen Ansteuersignal (Bild 2).

Stromversorgungsdesign: So vermeiden Sie Spannungsspitzen und Transienten

Was hilft gegen diese Phänomene? Zunächst sollten Sie den Treiber möglichst nah am Schaltbaustein platzieren, um die parasitären Induktivitäten zu verringern. Ganz aus der Welt geschafft wird das Problem damit allerdings nicht, weshalb man in der Vergangenheit häufig auf Klemmdioden zurückgriff, um die Spannungen in einem unkritischen Bereich zu halten.

Bild 3 zeigt, wie Sie solche Dioden platzieren. Die Dioden am Eingang sorgen dafür, dass das Eingangssignal nicht unter das Massepotenzial absinken kann, während die Klemmdioden am Ausgang die dortige Spannung unter der Versorgungsspannung halten.

Diese Lösung ist fraglos effektiv, aber für die Stromversorgung werden immerhin sechs zusätzliche Bauelemente benötigt, was nicht nur die Kosten erhöht, sondern auch wertvollen Platz auf der Leiterplatte belegt.

Neue Gate-Treiber wie die Bausteine UCC27614 und UCC27624 kommen ohne zusätzliche Bauteile mit den Störgrößen und Transienten zurecht, die in modernen Leistungswandlern mit ihren höheren Schaltfrequenzen auftreten. Tatsächlich verkraften sie negative Spannungen bis –10 V und sind für UDD-Werte bis maximal 30 V ausgelegt.

Diese Spezifikation ist wichtig, denn wenn der Gate-Treiber genügend Spielraum bietet, wird er mit Störgrößen und Transienten an seinen Ausgängen fertig, ohne dass die Spannung mithilfe von Klemmdioden unterhalb von UDD gehalten werden muss.

In Bild 4 ist zu sehen, wie der für 30 V ausgelegte UCC27624 (links) und ein Gate-Treiber mit 20 V UDD auf hochfrequente Störgrößen an den Ausgängen reagieren.

* * Sam Wallace ... ist Product Marketing Engineer „High Power Drivers“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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