Power-Tipp Stromversorgung für sensible RF Bauteile

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Zum Versorgen von RF (Funktechnologie) Anwendungen werden häufig Versorgungsspannungen benötigt, welche sehr rausch- sowie störungsarm sind. Wie kann eine solche Spannung möglichst effizient generiert werden?

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Bild 1: Oben Schaltregler mit passivem Filter, unten Schaltregler mit Linearregler
Bild 1: Oben Schaltregler mit passivem Filter, unten Schaltregler mit Linearregler
(Bild: Analog Devices)

Die Antwort auf diese Frage lässt sich im Wesentlichen in Abhängigkeit von zwei Rahmenbedingungen finden. Welche Versorgungsspannung steht zur Verfügung und wie empfindlich ist das RF Bauteil gegenüber Störungen wie etwa Spannungswelligkeit bei unterschiedlichen Frequenzen?

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Die Versorgungsspannung hat in allen nicht batteriebetriebenen Anwendungen einen stark störbehafteten Ursprung. Ein AC / DC Wandler generiert eine Spannungsversorgung welche üblicherweise noch erhebliche Spannungswelligkeit aufweist. In vielen Anwendungen wird diese Spannung mit einem DC/DC Wandler in die Nähe der benötigten Betriebsspannung des RF Bauteils gebracht.

Der Schlüssel für eine saubere Spannung liegt somit in der Filterung. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es kann ein Schaltregler mit mehreren RC oder LC Filtern als Tiefpassfilter verwendet werden. Mit dieser Lösung erhält man eine sehr hohe Leistungseffizienz. Bild 1 zeigt im oberen Teil eine Schaltung mit einem Schaltregler, zwei zusätzlichen LC (Induktivität und Kapazität) Filterstufen um eine Spannung mit einer Spannungswelligkeit von nur wenigen uA Spitze / Spitze zu generieren.

Bild 1 zeigt einen Abgriff der Feedbackspannung vor den zusätzlichen LC Filterstufen. Hier ist darauf zu achten, dass die DC Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung innerhalb der Spezifikation liegt. Für hohe DC Genauigkeit der Ausgangsspannung kann die Feedbackspannung nach den zusätzlichen Filterstufen abgegriffen werden. Hierbei ist aber bei der Auswahl der Werte des LC Filters auch auf die Stabilität der Regelschleife zu achten. Eine solche Schaltreglerlösung erfordert ein optimiertes Platinenlayout, damit sich durch die sehr schnellen Schaltflanken keine Störungen in den RF Teil des Systems einkoppeln.

Unten auf Bild 1 ist eine Lösung mit einem Linearregler als Filter gezeigt. Mittlerweile gibt es ganze Linearreglerproduktfamilien, welche in erster Linie nicht für eine simple Spannungsregelung ausgelegt sind, sondern auf ihre Fähigkeit, Spannungswelligkeit und Störungen einer Versorgungsspannung, möglichst gut herauszufiltern. Der neue ADM7150 von Analog Devices beispielsweise bietet 100dB Power Supply Rejection Ratio (PSRR). Dies entspricht einer Spannungsdämpfung um den Faktor 100 000. Eine Spannungswelligkeit von 20mV am Eingang des Linearreglers wäre dann am Ausgang nur noch mit 200nA vorhanden.

Die Filterfähigkeit eines Linearreglers ist stark abhängig von der jeweiligen Frequenz der Störung. Bild 2 zeigt das PSRR eines ADM7150 bei 5V Eingangsspannung und eingestellten 3.3V Ausgangsspannung über den gesamten Frequenzbereich von 5Hz bis 10MHz. Neben der Frequenzabhängigkeit besteht auch eine Lastabhängigkeit. Diese ist besonders bei niedrigen Frequenzen bis ca. 2kHz relevant. Je geringer der Laststrom, desto besser das PSRR Verhalten.

Bei der Auswahl eines passenden Linearreglers für Filteraufgaben ist also nicht nur der Eingangsspannungsbereich und die maximale Stromfähigkeit entscheidend, sondern vor allem die PSRR Spezifikation sowie weitere relevante Eigenschaften wie das selber generierte Rauschen und daraus resultierende Rauschdichte (Noise Spectral Density).

* Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

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