Schaltregler: Welche Störungen zeigen die einzelnen Topologien?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Power-Tipp: Welche Störungen treten bei den einzelnen Schaltregler-Topologien auf?
Power-Tipp: Welche Störungen treten bei den einzelnen Schaltregler-Topologien auf? (Bild: VCG)

Es gibt viele unterschiedliche Schaltregler-Topologien. Der klassische Buck-Regler, auch als Abwärtswandler (Step-Down-Regler) bekannt, ist weit verbreitet. Daneben gibt es auch weniger bekannte getaktete DC/DC-Wandler wie die „Zeta“-Topologie. Wir analysieren in diesem Power-Tipp das Störpotenzial der einzelnen Topologien.

Bei Schaltreglern unterscheidet man zwischen grundsätzlichen und erweiterten Topologien. Die Standard-Topologien kommen mit zwei Schaltern, einer Induktivität sowie zwei Kondensatoren aus. Hierzu zählen der ‚Buck‘-Regler, der ‚Boost‘-Regler sowie die invertierende ‚Buck-Boost‘-Topologie. Alle anderen Topologien erfordern zusätzliche Bauelemente. So benötigt beispielsweise ein ‚SEPIC‘-Regler noch eine Koppelkapazität und eine zweite Induktivität.

Neben den nicht isolierten, also nicht galvanisch getrennten, Schaltreglern gibt es auch noch Varianten, in denen ein Transformator eingesetzt wird, um eine galvanische Trennung zu realisieren.

Der Systementwickler betrachtet eine Stromversorgung häufig als ‚Black Box‘, also als Vierpol. Der Vierpol hat zwei Eingangsleitungen und zwei Ausgangsleitungen. Bild 1 zeigt das Schaltsymbol für DC/DC-Wandler, wie es in einem Blockdiagramm verwendet wird. Im oberen Teil des Bildes ist ein DC/DC-Wandler dargestellt, welcher galvanisch nicht getrennt ist, unten ist ein Wandler zu sehen, der galvanisch getrennt ist.

Bei einem Symbol wie in Bild 1 gezeigt ist erst einmal keine Information enthalten, wie störbehaftet die jeweiligen Anschlüsse sind. Die einzelnen Schaltregler-Topologien zeigen ein unterschiedliches Verhalten an den Anschlüssen des Vierpols. Bild 2 zeigt beispielhaft einen universellen Abwärtswandler, den ADP2441, für industrielle Anwendungen. Er wandelt 24 V am Eingang auf 3,3 V am Ausgang. Hier ist zu erkennen, dass die Eingangsseite dieser Topologie gepulste Ströme verursacht und somit an der Eingangsseite sehr störbehaftet ist.

Wenn der obere Schalter im ADP2441 eingeschaltet ist, fließt ein Strom in Anschluss A. Ist dieser Schalter abgeschaltet, fließt durch Knoten A kein Strom. Auf der Ausgangsseite C gibt es nur recht geringe Störungen. Die Induktivität im Ausgangspfad stellt sicher, dass ausgangsseitig keine gepulsten Ströme auftreten.

Die Tabelle fasst Informationen zum prinzipiellen Verhalten gängiger Schaltregler zusammen. In der ersten Zeile ist angegeben, welches Störpotenzial die jeweilige Topologie an der Eingangsseite, also an den Verbindungen A und B des Vierpols, aufweist. In der zweiten Zeile ist das Störpotenzial der jeweiligen Topologie an der Ausgangsseite, also den Anschlüssen C und D des Vierpols, dargestellt. Ein grüner Punkt bedeutet niedrige, ein roter Punkt hohe Störungen.

Durch zusätzliche Filter, beispielsweise separate LC-Filter, lassen sich leitungsgebundene Störungen eines Schaltreglers stark reduzieren. So können die in der Tabelle angegebenen Nachteile ausgeglichen werden. Dennoch ist es sinnvoll zu wissen, welche DC/DC-Wandler an welchen Anschlüssen besonders hohe Störungen zeigen. Dadurch kann der Entwickler bereits bei der Konzeption einen entsprechenden Filter einplanen.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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