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Stromversorgungen
alle Bilder: IDT
Bild 1: Schaltkreis eines Abwärtswandlers. Der Spulenstrom kann sich
nicht sofort ändern; eine Quelle für Überschwinger in einem idealen
Abwärtswandler ist daher schwer zu finden.
Bild 2: Magnetfluss
= B-Feld x
Schleifenfläche.
Magnetfluss-
Änderung
induziert
Spannung.
Schaltet der
Wandler, ändert
der wechselnde
Stromschleifenpfad
den
Magnetfluss, was
Überschwinger
verursacht.
Bild 3: Energie parasitärer Induktivitäten, die im Magnetfeld gespeichert ist.
Der sich ändernde Strom in L p1
induziert Überschwinger; der konstante Strom
in L p2
nicht.
Bild 4: Eine sorgfältige Platzierung des Eingangskondensators minimiert die
Schleifenfläche und leitet den sich ändernden Strom weg von der Masse, um
somit Überschwinger zu verhindern.
Abwärtswandlers. In Bild 2 bleibt die Leitung stets ideal, außer
dass der Strom in jedem Segment eine bestimmte Strecke zurücklegen
muss, während er von einem Bauteil zum nächsten wandert.
Bei diesem Ladungsfluss bildet sich ein Magnetfeld um die stromführende
Leitung. Dieser Magnetfluss passiert die Schalterschleifen
t 1
und t 2
.
Das Wechseln zwischen den t 1
- und t 2
-Stromschleifenflächen ist
der Hauptgrund für das Grundrauschen des Wandlers. Der Magnetfluss
in der Schleife (V in
-t 1
-gnd) nimmt zu und bricht bei jedem
Schaltzyklus zusammen. Dieser sich ändernde Magnetfluss induziert
überall in dieser Schleife eine Spannung, einschließlich in der
idealen Masse-Rückführungsleitung. Keine noch so hohe Kupfermenge
– nicht einmal ein Supraleiter – kann diese induzierte Spannung
verhindern. Nur eine Verringerung des sich ändernden Magnetflusses
kann dabei helfen.
Ein sich ändernder Magnetfluss hat drei Faktoren: Änderungsgeschwindigkeit,
magnetische Feldstärke und Schleifenfläche. Da
die Taktfrequenz und der maximale Ausgangsstrom zu den Designanforderungen
gehören, zählt die Verringerung der Schleifenfläche
zum besten Lösungsvorschlag. Die Induktivität ist proportional
zum Magnetfluss. Bild 3 zeigt ein elektrisches Modell für Bild
2, worin der sich ändernde Strom in der parasitären Induktivität
L p1
ein Grundrauschen verursacht, während der konstante Strom
in der parasitären Induktivität L p2
nicht dazu beiträgt.
Obwohl Bild 3 das Problem aufzeigt, ist es nur ein schwacher
Ersatz für das physikalisch eingeschränkte Modell in Bild 2. Bild 3
zeigt parasitär induzierte Spannungen über L p1
und L p2
; wobei aber
Spannung überall in einer Schleife induziert wird, wenn ein sich
ändernder Magnetfluss auftritt. Der Schaltkreis in Bild 4 zeigt, wie
sich das induzierte Grundrauschen verringern lässt.
Wie in Bild 3 dargestellt, fließt Masserückführungsstrom durch
L p1
und verursacht Spannungs-Überschwinger. Ein sorgfältig platzierter
Eingangskondensator (Bild 4) verringert die parasitäre
Magnetflussfläche und leitet den sich ändernden Wandlerstrom in
einen Pfad, der keine Masserückführung enthält. In diesem Fall ist
der Strom in den parasitären Induktivitäten L p1
und L p2
konstant,
so dass die Massespannung stabil ist. Die Verringerung dieser Magnetflussfläche
reduziert proportional die elektromagnetischen
Bild 5: Die sich ändernde Ladungspumpe im LX-Knoten lädt sich über die
parasitäre Induktorkapazität C L
auf und gibt Energie in die parasitären
Massepfad-Induktivitäten L p1
und L p2
ab, was Grundrauschen verursacht.
Bild 6: Zwei serielle Induktivitäten haben die gleiche Induktivität, aber nur
1/4 der parasitären Kapazität. Das parasitäre Ladungspumpen wird
verringert und damit auch das Grundrauschen.
30 elektronik industrie 03/2012
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