Qualifizierung des Ripples eines DC/DC-Wandlers Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 5

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Eine ausführliche Qualifizierung von Schaltnetzteilen ist unbedingt anzuraten und trägt zur Stabilität des Gesamtsystems bei. Diese Beitragsserie gibt Tipps und Hilfestellungen zur Qualifizierung von selbst entwickelten Schaltnetzteilen auf elektronischen Baugruppen. In diesem fünften Teil unserer Reihe geht es um die Qualifizierung des Ripples eines DC/DC-Wandlers.

In den ersten vier Teilen dieser Reihe haben wir uns mit den Grundlagen des Designs, des Layouts und der Simulation, den einzelnen Schritten einer typischen Messung sowie der Qualifizierung einiger einzelner Phänomene wie Spannungsverhalten und Temperatur beschäftigt. In diesem Teil geht es um die Qualifizierung des Ripples eines DC/DC-Wandlers.

Gegentaktstörungen (Ripple und andere Rauschquellen)

Es ist zunächst festzustellen, ob die Testmasken bei starker Rauschinjektion immer noch eingehalten werden, und wie sich die gewählte Schaltfrequenz auf die Rauschinjektion auswirkt (Stichwort: Dimensionierung der Ausgangsfilter). Die Aufgabe des Test-Ingenieurs ist es, dieses Verhalten, falls notwendig, mittels „einfacher“ schaltungstechnischer Maßnahmen zu optimieren (z. B. wählen einer anderen Schaltfrequenz; durch Tauschen der Ausgangskondensatoren).

Kurzer Exkurs zu „Rauschinjektion“ bei Schaltwandlern

Der Begriff des „Schaltrauschens“ ist zwar durchaus gängig, jedoch impliziert dieser einen nicht-deterministischen also zufälligen Prozess. Ein Schaltwandler produziert jedoch klar vorhersagbare, also deterministische Flanken, welche in die Eingänge und Ausgänge des Wandlers durch parasitäre Effekte injiziert werden. Präziser ist deshalb der Begriff „Gegentaktstörungen“. Aus der deterministischen Natur dieser Störungen lassen sich klare schaltungstechnische Gegenmaßnahmen ableiten. So lässt sich zeigen, dass der Frequenzgang der Gegentaktstörungen die folgenden Polstellen aufweist:

und

Dabei ist D das Abtastverhältnis, T die Periodendauer und τ_S die Flankenanstiegs- bzw. Flankenabfallzeit des Schaltwandlers. Dadurch lassen sich gezielt sowohl eingangs- als auch ausgangsseitige Filter entwerfen, welche die Gegentaktstörungen eines Schaltwandlers zu einem gewissen Grad unterdrücken. Da kein Filter ideal ist und eine endliche Dämpfung aufweist, lassen sich die Gegentaktstörungen jedoch nie vollständig unterdrücken.

Besonders moderne hochintegrierte Schaltungen wie Mikroprozessoren, Signalprozessoren oder FPGAs haben sehr strenge Anforderungen an die Welligkeit der Versorgungsschienen. In der Konsequenz resultieren daraus für derartige Anwendungen auch besonders hohe Anforderungen sowohl im Schaltungsentwurf als auch beim Testen von Schaltwandlern.

Bild 1 zeigt beispielhaft die Ripple-Messung eines Schaltwandlers an einem FPGA gezeigt. Der Wandler liefert eine Versorgungsspannung von 0,9 V bei einem Laststrom von 27,5 A. Die Welligkeit liegt bei ±4 mV.

Wie messe ich richtig?

Besondere Vorsicht vor hochfrequenten Effekten ist bei der Messung geboten: Es müssen möglichst kleine Schleifenflächen (induktive Kopplung), kapazitive Kopplung und andere Phänomene berücksichtigt werden. Eine gute Lösung bietet das Anlöten eines dünnen Koax-Kabels direkt an die zu vermessende Stelle. In den drei nachfolgenden Beispielen sind drei verschiedene Messmethoden sowie deren Auswirkung auf das Messergebnis beschrieben. Im ersten Beispiel ist eine Messung mittels gewöhnlichem Tastkopf mit großer Masse-Schleife dargestellt (Bild 2).

Die Masseschleife umfasst nicht nur die gesamte Schaltung des Reglers, sondern auch benachbarte Schaltungsteile. Dies kann zur Kopplung anderer Signale in das Messsignal führen. Das Messergebnis ist dementsprechend stark verrauscht. Also misst man nicht nur das Schaltrauschen, sondern auch andere Rauschquellen! Werden genaue Ergebnisse gewünscht, ist diese Messmethode dringend zu vermeiden. Messung mit kurzem GND-Draht.

Hier handelt es sich um die sog. Tip-and-Barrel-Konfiguration. Die Schleifenfläche ist deutlich kleiner, weshalb die Koppelinduktivität ebenso deutlich geringer ist, da K ~ Schleifenfläche (Bild 3).

Anlöten einer Messleitung

Beim direkten Anlöten einer Messleitung fällt die Schleifenfläche minimal aus. Bei diesem Verfahren ist jedoch besondere Vorsicht geboten: Wenn ein Koax-Kabel verwendet wird wie in diesem Beispiel, muss das Oszilloskop entsprechend auf eine 50-Ω-Terminierung einstellt werden. Ebenso ist zu beachten, dass das Oszilloskop-Frontend die vermessene Schaltung nicht zu sehr belastet oder gar, dass das Oszilloskop-Frontend beschädigt wird (unbedingt auf Oszilloskop-Herstellerangaben achten)!

Der Vorteil: Die Messleitung ist fix angelötet, man muss keine Messspitze halten und kann sich ausschließlich auf die Messung konzentrieren (Bild 4). Auf diese Weise können sehr hochfrequente Effekte vermessen werden. Dabei ist unbedingt auf Signalreflexionen, Fehlanpassung etc. zu achten.

Bild 5 zeigt im direkten Vergleich eine verrauschte Messung mit einer langen Masseschleife (links) sowie eine bessere Messung mit einer sehr kleinen Masseschleife zu sehen. Die Unterschiede sind klar erkennbar.

Hitecs erfahrene Experten führen diese Qualifizierungsschritte mit elaborierten Methoden und möglichst geringen Nebengeräuschen durch. Im folgenden Teil 6 widmen wir uns dann einem weiteren Phänomen und werden wir uns mit Switch Node Ringing auseinandersetzen. (tk)

In dieser Serie sind bisher erschienen

Design, Layout und Simulation

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 1

Qualifizierende Messungen

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 2

Transientes Spannungsverhalten eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 3

Qualifizierung der Strom- & Temperaturbelastung eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 4

* Konstantin Vilyuk, Hardware-Entwicklung, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG, Stefan Lange ist Teamleiter Systems Engineering, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG.

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