Power-Tipp Störungen durch Schaltfrequenz und Schaltübergänge

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Beim Entwurf von Stromversorgungen mit Schaltreglern ist besonders bei sensiblen Anwendungen wie beispielsweise in der Messtechnik oder Hochfrequenztechnik große Vorsicht geboten. Wir zeigen, worauf man achten muss.

Firmen zum Thema

Bild 1: Schaltfrequenz und Schaltübergänge eines Abwärtsreglers
Bild 1: Schaltfrequenz und Schaltübergänge eines Abwärtsreglers
(Bild: Analog Devices)

Ein Schaltregler verursacht durch sein periodisches Schaltverhalten gewisse Störungen im System. Diese ergeben sich aus pulsierenden Strömen und Spannungen, welche ein Schaltreger konzeptbedingt erzeugt.

Um die verursachten Störungen so gering wie möglich zu halten, ist ein gutes Platinenlayout essentiell. Um die Auswirkung jeder dennoch generierten Störung zu minimieren, werden unterschiedliche Filter eingesetzt.

Zum Filtern von Versorgungsspannungen eignen sich unterschiedliche Methoden. Es werden Linearregler mit hohem Versorgungsspannungsdurchgriff (Power Supply Rejection Ratio – PSRR), LC-Filter oder auch Ferrite verwendet. Um den passenden Filter auszuwählen ist es wichtig die Störfrequenzen zu kennen. Häufig wird angenommen, dass Schaltregler nur Störungen durch die Schaltfrequenz verursachen. Somit wird die Schaltfrequenz der unterschiedlichen Stromversorgungs-ICs genau betrachtet. Sie liegt heutzutage bei Stromversorgungen ohne Transformator üblicherweise zwischen 500 kHz und 3 MHz.

Die Schaltfrequenz ist jedoch nur die halbe Wahrheit. Eine weitere Störungsursache sind die Schaltübergänge des Schaltreglers. Das Umschalten von Stromfluss während der ‚On-Zeit‘ und keinem Stromfluss während der ‚Off-Zeit‘ findet bei hohen Frequenzen statt. Dieses Umschalten verursacht Störungen im Bereich von 20 MHz bis ca. 300 MHz.

Moderne Schaltregler haben besonders kurze Schaltzeiten um die Schaltverluste zu reduzieren. Sie verursachen somit Störungen von einigen hundert MHz. Die genaue Frequenz ist je nach Schaltreglerarchitektur auch abhängig von der Eingangs und Ausgangsspannung der Stromversorgung. Hinweise zu dieser Störfrequenz finden sich nicht im Datenblatt von Schaltreger-ICs. Somit werden diese Störungen häufig nicht erwartet und somit auch nicht gezielt genug bekämpft.

Bild 1 zeigt die Ursache der Schaltfrequenz eines Schaltreglers sowie die sehr viel schnellere Frequenz der Schaltübergänge. Dieses Verhalten kann im System zu Störungen führen. Neben diesen beiden fundamentalen Frequenzen erhält man auch periodische, vielfache Signale im Frequenzbereich.

(ID:44072713)