Power-Tipp Warum sich Linearregler zum Filtern eignen, aber Schaltregler nicht

Linearregler werden häufig zum Filtern eingesetzt. Schaltregler eignen sich nicht dazu, weil sie immer eine gewisse Spannungswelligkeit am Ausgang erzeugen und die Regelschleife eines Schaltreglers durch die Schaltfrequenz begrenzt ist. Warum das so ist, beschreibt dieser Power-Tipp.

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In der heutigen Elektronikentwicklung werden Linearregler sehr häufig nicht zum eigentlichen Wandeln einer Spannung eingesetzt, sondern zum Filtern von Spannungsschwankungen. Linearregler eignen sich im Allgemeinen hervorragend dazu. Linearregler können mit einem PSRR (Power Supply Rejection Ratio, deutsch: Versorgungsspannungsdurchgriff) von bis zu 100 dB glänzen.

PSRR ist die Fähigkeit eines Reglers, Schwankungen einer Versorgungsspannung zu dämpfen. Bild 1 zeigt ein typisches PSRR-Diagramm des Linearreglers ADP7142 von Analog Devices. Er hat einen Eingangsspannungsbereich bis 40 V und ist für das effektive Filtern von höheren Spannungen ausgelegt.

Der PSRR ändert sich mit der Frequenz der Störungen (Spannungsschwankungen) am Eingang. Die Fähigkeit zur Dämpfung von Störungen und damit zum Filtern ist also abhängig von der Frequenz der jeweiligen Störung. In Bild 1 sind verschiedene Spannungsunterschiede zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Linearreglers gezeigt. Bei kleinem Spannungsunterschied ist die Dämpfung wesentlich geringer als bei höherem Spannungsunterschied. Der Linearregler kann also besser filtern, je höher die Eingangsspannung in Bezug zur Ausgangsspannung ist. Der maximale PSRR liegt bei –119 dB. Bei sehr hohen Frequenzen ab 1 MHz erreicht die Dämpfung nur noch ca. 40 dB.

Warum sich Schaltregler nicht zum Filtern eigen

Warum eignen sich Schaltregler nicht zum Filtern? Dies hat mehrere Gründe. Zum einen verursachen Schaltregler immer eine gewisse Spannungswelligkeit am Ausgang. Diese ist von der Schaltreglertopologie, der Schaltfrequenz, der verwendeten Induktivität sowie des Ausgangskondensators abhängig. Ein Filter sollte generell keine zusätzlichen Störfrequenzen einbringen.

Der Hauptgrund, warum sich Schaltregler nicht zum Filtern eignen liegt aber darin, dass die Regelschleife eines Schaltreglers durch die Schaltfrequenz begrenzt ist. Der 0-dB-Durchgang der Regelschleife liegt üblicherweise bei 1/5 bis 1/10 der Schaltfrequenz.

Dies ist nötig, um Instabilitäten zu vermeiden. Beim Einstellen eines 0-dB-Durchgangs bei höheren Frequenzen koppeln sich leicht Störungen durch das Schaltverhalten in die Regelschleife mit ein. Es entsteht ein Jitter an der fallenden Flanke des Schaltknotens.

Einen gewissen Einfluss auf die Filterung haben jedoch weiterhin die Eckfrequenzen der Leistungsstufe. Bei einem Buck-Regler (Abwärtswandler) die Doppelpolstelle des LC-Filters.

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

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