DC/DC-Wandler Vergleich von Spread-Spectrum-Methoden in Abwärtsreglern

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mit der Spread-Spectrum-Technik lassen sich die EMV-Eigenschaften mit geringen oder ohne Auswirkungen auf andere Funktionen deutlich verbessern. Kennt man Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren, lässt sich die optimale Technik wählen.

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Bild 1: Situation bei konstanter Schaltfrequenz ohne Spread-Spectrum-Technik.
Bild 1: Situation bei konstanter Schaltfrequenz ohne Spread-Spectrum-Technik.
(Bild: Texas Instruments)

Die Spread-Spectrum-Funktion dient in Leistungswandlern und anderen Bauelementen dazu, unter Beibehaltung der vorgesehenen Funktionalität ein schmalbandiges Signal in ein breitbandiges zu verwandeln. Man ersetzt die bei den Oberschwingungen auftretenden Spitzen im Frequenzgang durch einen flacheren Verlauf, sodass die Energie nicht mehr punktuell konzentriert ist, sondern gleichmäßiger ineinander übergeht. Hierdurch ergeben sich bessere Betriebsbedingungen, indem sich die Funkstörungs-Eigenschaften für das Bauelement selbst und das gesamte System verbessern.

Mithilfe der Spread-Spectrum-Technik ist es möglich, die Spitzen um bis zu 10 dBµV zu reduzieren, weshalb man beim Design mit einem kleineren und kostengünstigeren Entstörfilter am Eingang auskommt. In diesem Beitrag geht es um die Frage, wie das Spread-Spectrum-Verfahren beim Chipdesign umgesetzt wird und wie es sich auf andere Systeme ausweiten lässt. Zusätzlich werden die gängigsten modernen Spread-Spectrum-Implementierungsmethoden mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen angesprochen.

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Ursachen von Funkstörungen in Abwärtswandlern

Als erstes ist die Frage zu beantworten, wie die Funkstörungen in einem Abwärtswandler (Buck Converter) überhaupt entstehen. Die Funktion eines Abwärtswandlers basiert darauf, dass sein Schaltknoten mit hoher Frequenz zwischen der Eingangsspannung (VIN) und der Masse umschaltet. Dabei wird das Tastverhältnis so gewählt, dass die durchschnittliche Spannung am Schaltknoten gleich der gewünschten Ausgangsspannung ist. Die am Schaltknoten liegende Spannung wird einem LC-Tiefpassfilter zugeführt, damit sich am Ausgang die gewünschte Gleichspannung einstellt. Die meisten Abwärtswandler schalten mit einer konstanten Frequenz (fSW), so dass die Funkstörungen bei dieser Frequenz und bei den Oberschwingungen der Schaltfrequenz (n . fSW) entstehen. Diese Konzentration auf die Schaltfrequenz und deren ganzzahlige Vielfache birgt allerdings das Risiko, dass die maximal zulässige Stärke der Störgrößen bei diesen Frequenzen überschritten wird.

In Bild 1 ist die Schaltfrequenz (fSW = 2,1 MHz) über die Zeit konstant. Die Ausgangswelligkeit ist flach, und die Darstellung der Störgrößen lässt bei sehr niedrigen Frequenzen das Grundrauschen erkennen, bevor bei der Schaltfrequenz und den nächsten Oberschwingungen jeweils scharfe Spitzen erkennbar sind. Im oberen Teil des dargestellten Frequenzbereichs sind die immer kleiner werdenden Spitzen bei den Oberschwingungen höherer Ordnung zu sehen. Die roten Linien in Bild 1 geben die Grenzwerte für eine typische Funkstörungs-Prüfung wieder.

Variieren der Schaltfrequenz des Abwärtswandlers

In einem Abwärtswandler mit Spread-Spectrum-Funktionalität wird fSW so variiert (Dithering), dass der Baustein in einem bestimmten Frequenzbereich schaltet. Wenn die Schaltfrequenz beispielsweise um ±5 % schwankt, so verteilen sich die Störgrößen bei der Grundschwingung über einen Frequenzbereich von 0,95 bis 1,05 MHz, also um jeweils 50 kHz unter und über die Mittenfrequenz. Die Oberschwingung zweiter Ordnung verteilt sich von 1,90 bis 2,210 MHz, das sind 100 kHz unter bzw. über die Mittenfrequenz. Bei den Oberschwingungen zehnter Ordnung und darüber gehen die Störgrößen bereits ineinander über, sodass man anstelle der bisherigen Spitzen einen geglätteten Verlauf vorfindet, der oftmals um bis zu 10 dBµV niedriger ist als die scharfen Spitzen, die ohne Spread-Spectrum-Technik zu beobachten sind.

Nach dieser kurzen Einleitung werden nun zwei der gängigsten Möglichkeiten, die Spread-Spectrum-Methode umzusetzen, beschrieben werden, gefolgt von einer Beschreibung zweier verbesserter Verfahren.

Die Dreiecks-Modulation

Bei der Dreiecks-Modulation wird die Schaltfrequenz in einem dreiecksförmigen Profil erhöht und reduziert. Die typische Spreizung (ΔfSW) beträgt zwischen 4 % und 10 % bei einer Modulationsfrequenz (fm) von 4 bis 15 kHz (Bild 2).

Die Vorteile

Ein Vorteil der Dreiecks-Modulation ist, dass sie einfach zu verstehen und umzusetzen ist. Das kontinuierliche Erhöhen und Verringern der Schaltfrequenz bürgt dafür, dass zwei aufeinanderfolgende Schaltzyklen niemals mit derselben Frequenz ausgeführt werden.

Ebenfalls vorteilhaft ist, dass es der Dreiecks-Modulation hervorragend gelingt, die Energie gleichmäßig um die Mittenfrequenz herum zu verteilen, was einen weitgehend flachen Verlauf bewirkt, mit einer nur geringfügigen Spitzenbildung am Ende des Bandes (in Bild 2 nicht dargestellt). Gespreizt werden neben der Grundschwingung auch die höheren Oberschwingungen.

Die niedrigere Amplitude der Grundschwingung erlaubt zudem die Verwendung eines kostengünstigen Entstörfilters am Eingang. Die Dreiecks-Modulation ergibt einen hinreichend flachen und gleichmäßig verteilten Verlauf – ganz im Gegensatz zu anderen Modulationsverfahren, bei denen die Mittenfrequenz oder die Endfrequenzen höher gewichtet werden, was die Abschwächung bei der Grundschwingung und den unteren Oberschwingungen reduziert.

Die Nachteile

Nachteilig bei der Dreiecks-Modulation ist: Um übermäßige Überschneidungen durch Schwebungsfrequenzen zu verhindern, muss die Frequenz fm der Dreiecksmodulation so niedrig gewählt werden, dass stets mehrere Schaltzyklen in ein Hoch- und Herunterfahren der Schaltfrequenz passen.

Die höherfrequenten EMI-Sweeps verwenden jedoch sehr wenig Zeit auf das Messen der Funkstörungen an jedem Datenpunkt. Ein langsames Erhöhen und Reduzieren der Frequenz kann dazu führen, dass ein EMI-Sweep nur einen kleinen Bruchteil dieses Hoch- und Herunterfahrens misst. Dies würde sich wie eine weniger gespreizte Aussendung darstellen und ΔfSW effektiv verringern. Ein größeres Problem ist das langsame Hoch- und Herunterfahren bei diskreter dreieckförmiger Modulation, wenn das Erhöhen und Verringern der Schaltfrequenz in Wirklichkeit treppenförmig erfolgt und mehrere Schaltzyklen auf eine Stufe entfallen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass es auf der Ausgangs- und Eingangsspannung zu einer Welligkeit bei der Dreiecksmodulations-Frequenz kommt. Dies liegt unter anderem an der Amplitudenmodulation der Welligkeit des Spulenstroms. Eine niedrigere Schaltfrequenz ergibt dabei eine höhere Welligkeit (und umgekehrt), sodass die Eingangsspannung eine Welligkeit bei der Dreiecksmodulations-Frequenz fm aufweist. Eine weitere Ursache ist die Wechselwirkung zwischen dem amplitudenmodulierten Spulenstrom und dem Regelungsverfahren (meist Scheitel- oder Talstromregelung). Die Amplitudenänderung des Spulenstroms bewirkt eine Erhöhung bzw. Verringerung des durchschnittlichen Spulenstroms, was zu einer Welligkeit der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung führt. Die Frequenz dieser Welligkeit ist ebenfalls fm und liegt oftmals im hörbaren Bereich, was in Verbindung mit einem Audioverstärker oder einem Keramik-Kondensator zur Entstehung von Störgeräuschen führen kann.

Die Pseudo-zufällige Modulationsmethode

Bei dieser Methode wird fSW in pseudo-zufälliger Weise (programmgesteuert, aber scheinbar zufällig) variiert. In einigen Implementierungen ist die maximale Sprungweite begrenzt, um den regulären Betrieb nicht übermäßig zu stören. Die typische Spreizung beträgt zwischen ±3 % und ±6 %, und die Frequenz wird in der Regel mit jedem Schaltzyklus geändert. Aus diesem Grund ist in Bild 3 der Zeitmaßstab in Mikrosekunden geteilt und nicht in Millisekunden wie in den vorigen Abbildungen.

Die Vorteile

Ein Vorteil der der pseudo-zufälligen Modulationsmethode ist, dass die fSW in kurzer Zeit stark variieren kann. Dies kann dazu beitragen, dass ein EMI-Sweep nur einen kleinen Teil der Spreizung erfasst. Die große Sprungweite resultiert ferner in ausgezeichneten Hochfrequenz-Eigenschaften. Die Funkstörungen im sehr niedrigen Frequenzbereich werden zufällig verteilt, sodass die Störgrößen am Eingang und Ausgang keine hörbaren Geräusche erzeugen, wenn sie in tonerzeugende Schaltungen gekoppelt werden. Die Funkstörungen sind zwar nach wie vor vorhanden, verteilen sich aber über einen so breiten Bereich, dass sie eher weißem Rauschen ähneln als einem einzelnen Ton wie bei der Dreiecks-Modulation.

Die Nachteile

Aber auch diese Methode hat ihre Nachteile: Abhängig von der Frequenzverteilung und der Implementierung kann es passieren, dass die Energie der Grundschwingung und der niedrigeren Oberschwingungen nicht gut verteilt wird. Diese verstreute Energie kann zu steileren und höheren Spitzen bei diesen Frequenzen führen, sodass Größe und Kosten der Eingangsfilter gegenüber der Dreiecks-Modulation nicht nennenswert sinken. Ein weiterer Mangel stellt die Wiederholung von Codes dar, zu der es wegen des digitalen Wesens des pseudo-zufälligen Musters kommen kann. Wenn der Zufallsgenerator mehrere Zyklen hintereinander mit derselben Frequenz schalten, kann der Eindruck entstehen, die Spread-Spectrum-Funktionalität sei während dieser Zeitspanne deaktiviert. Diesem Effekt lässt sich entgegenwirken, indem man sicherstellt, dass es zu keinen Codewiederholungen kommt, indem eine große Zahl separater Schritte verwendet wird oder indem man wirklich zufällige, analoge Schritte verwendet.

Addition zweier Spread-Spectrum-Verfahren

Wie beschrieben, dienen die Dreiecks-Modulation und die pseudo-zufällige Modulation dem Zweck, das Entstehen von Spitzen bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen zu vermeiden. Beide Verfahren sind jedoch mit Mängeln behaftet, die dazu führen, dass sie manche Spitzen durchlassen oder sogar zusätzliche Störgrößen bzw. Spitzen erzeugen. Abhilfe lässt sich schaffen, indem man zur Dreiecks-Modulation eine zusätzliche Modulation addiert. Hierdurch wird die Dreiecksmodulations-Frequenz (fm) ihrerseits mit der Zeit variiert, sodass aus dem einstigen hörbaren Störton ein Rauschen wird. Wie Bild 4 verdeutlicht, wird eine gewisses Maß an pseudo-zufälliger Modulation hinzugefügt.

Der Vorteil

Diese Methode hat den Vorteil, dass hörbare Störtöne bei niedriger Frequenz zu einem Rauschen ausgebreitet werden. Die Grundschwingung und die unteren Oberschwingungen werden durch die Dreiecks-Modulation gleichmäßig verteilt, sodass sich die eingangsseitigen Entstörfilter kleiner und kostengünstiger realisieren lassen. Die Spitzen bei den Oberschwingungen höherer Ordnung werden dagegen durch die zusätzliche pseudo-zufällige Modulation verteilt.

Der Nachteil

Allerdings ist diese Methode komplizierter und schwieriger in der Umsetzung. Die Störgrößen bei den niedrigeren Frequenzen werden außerdem zwar verteilt, sind aber nach wie vor vorhanden und können Störgeräusche (z. B. weißes Rauschen) in tonerzeugenden Schaltungen hervorrufen.

Doppelte zufällige Spread-Spectrum-Modulation

Die doppelte zufällige Spread-Spectrum-Technik entspricht genau dem zuvor beschriebenen Verfahren, zeichnet sich aber durch die Kompensation der niederfrequenten Welligkeit aus. Bei dieser Methode erfolgt eine gewisse Kommunikation zwischen dem Spread-Spectrum-Modulator und dem Scheitel- oder Talstrom-Regler, um die Scheitel- oder Talstrom-Sollwerte vorbeugend so anzupassen, dass die aus der Spread-Spectrum-Modulation resultierenden Störgrößen kompensiert werden (Bild 5).

Die Vorteile

Die doppelte zufällige Spread-Spectrum-Modulation beseitigt die sehr niederfrequente Welligkeit der Ausgangsspannung und die die damit zusammenhänge Welligkeit der Eingangsspannung. Dies hat den Vorteil, dass hörbare Störgeräusche am Ausgang ganz eliminiert und am Eingang stark eingedämmt werden.

Der Nachteil

Doch auch diese Methode birgt einen Nachteil. Je nach Bauelement kann ein Widerstand notwendig sein, um die Kompensationswirkung an die Betriebsbedingungen anzupassen.

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