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Wie sich bipolare Spannungen störungsarm erzeugen lassen

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Wie sich sehr störungsarme Spannungen erzeugen lassen

Viele Anwendungen, die negative Versorgungsspannungen benötigen, müssen mit störungsarmen Spannungen versorgt werden. Ein Beispiel ist der Signalpfad einer messtechnischen Anwendung. Hier benötigt ein bipolarer Operationsverstärker oder auch die bipolare Eingangsstufe eines Analog Digital Umsetzers sowohl eine positive als auch eine negative Versorgungsspannung.

Schaltregler erzeugen eine gewisse Ausgangsspannungswelligkeit, die mit einem guten Ausgangskondensator mit niedrigem ESR (Equivalent Series Resistance) und hohem Kapazitätswert sowie einer großen Induktivität minimiert werden kann. Darüber hinaus helfen zusätzliche Filterstufen, beispielsweise mit einem LC-Filter oder einem Linearregler.

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Ein größeres Problem sind üblicherweise die von den Schaltübergängen erzeugten Störfrequenzen. Sie werden generiert, indem ein Stromfluss in nur wenigen Nanosekunden geschaltet wird. Vorhandene parasitäre Induktivitäten im geschalteten Stromlaufpfad erzeugen bei schnellem Schalten, hochfrequente Spannungsspitzen, die sich leicht in der gesamten Schaltung verbreiten. Die parasitäre Induktivität kommt beispielsweise von den Leiterbahnen auf der Platine oder auch von den Gehäusen der verwendeten Bauteile.

Beim Entwurf der Stromversorgung ist darauf zu achten, die AC-Strompfade, also die Leiterbahnen, auf denen der Stromfluss in einer Stromversorgung im Betrieb an- und abgeschaltet wird, so kompakt wie möglich auszuführen. Dies minimiert die parasitäre Induktivität und reduziert die von den Schaltübergängen erzeugten Störungen.

Wenn ein optimiertes Platinenlayout erstellt wurde und es trotzdem zu Störungen kommt, kann passende Abhilfe sehr aufwändig sein. Diese Tatsache ist bei Entwicklungen besonders unangenehm, da Störungen häufig erst sehr spät im Entwicklungsprozess bemerkt werden. Dann ist es meist mit hohem Kosten- und Zeitaufwand verbunden, Abhilfe zu schaffen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Schaltübergänge lassen sich um zwei Stufen verlangsamen

Der ADP5070 hat eine wertvolle Funktion integriert, die zum Reduzieren von Störungen erheblich beitragen kann: Für eine hohe Leistungseffizienz können die Schaltübergänge sehr schnell ausgelegt werden. Sollte es im Laufe der Systementwicklung zu Problemen bezüglich Störungen kommen, lassen sich die Schaltübergänge um zwei Stufen verlangsamen. Dies reduziert zwar die Leistungseffizienz durch höhere Schaltverluste, reduziert aber auch die durch die Schaltübergänge generierten Störungen. Bild 6 zeigt die Auswirkung auf die Schaltflanken bei unterschiedlichen Einstellungen.

Wenn der SLEW-Pin mit VREG verbunden wird, ist die mittlere Schaltgeschwindigkeit ausgewählt. Ein schnelleres Umschalten für höchste Leistungseffizienz wird erreicht, wenn der SLEW-Pin mit keiner Leitung verbunden wird. Um die geringsten Störungen zu erhalten wird der SLEW-Pin mit Masse verbunden.

Diese Einstellmöglichkeit schafft nicht nur ein optimiertes System in Bezug auf Leistungseffizienz und EMV-Verhalten, sondern es beruhigt die Nerven eines Entwicklers ungemein.

* Frederik Dostal arbeitet als Power Management Experte bei Analog Devices in München.

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