Nicht synchrone Hochspannungs-Aufwärtsregler Wie nicht synchrone Hochspannungs-Aufwärtsregler EMI-Emissionen verringern können

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Analog Devices

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Auch Controller-basierte Designs mit diskreten Leistungsschaltern und Freilaufdioden erreichen niedrige EMI-Emissionen nach CISPR 25 Klasse 5 – entscheidend dabei ist ein optimiertes Platinenlayout und kontrollierte Flankensteilheit.

Das Ziel vieler Anwendungen im Automobil- und Industriebereich ist die Reduktion von Emissionen in getakteten Spannungswandlern (SMPS). Getaktete Spannungswandler haben den Ruf, laut zu sein und die Einhaltung der CISPR-Emissionsnormen zu erschweren. Seit den letzten zehn Jahren wird kontinuierlich daran gearbeitet, die Emissionen in getakteten Spannungswandlern zu senken. Dies gipfelte in der Entwicklung eines der ersten nicht synchronen Aufwärtsregler-ICs (externer Leistungsschalter), der auf eine einfache und deutliche Reduzierung der elektromagnetischen Störungen (EMI) abzielt.

Monolithische Schalter sind äußerst praktisch für den Einsatz in DC/DC-Wandleranwendungen. Sie benötigen aufgrund der Integration von Leistungskomponenten, Regelkreisen und anderen Funktionen nur wenige externe Komponenten. Die Integration von Leistungsschaltern vereinfacht zwar das Design und Layout der Platine, hat jedoch den Nachteil, dass die maximale Ausgangsleistung reduziert wird, wenn keine externen Leistungsschalter verwendet werden. Die kompakte Hot Loop und die reduzierten Emissionen der integrierten Schalter sorgen dafür, dass alle hohen Leistungsverluste innerhalb des begrenzten Raums des IC-Gehäuses konzentriert werden. Dies kann zu Herausforderungen bei der thermischen Leistung führen, insbesondere bei Systemen mit hoher Leistung, hoher Frequenz oder hoher Spannung. Viele Anwendungen erfordern Leistungspegel bis zu 50 W, die über das hinausgehen, was ein monolithischer Chip bereitstellen kann. Daher besteht nach wie vor eine Nachfrage nach Controller-ICs, die externe Leistungs-FETs ansteuern.

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Um dem wachsenden Bedarf an Aufwärtswandlern mit geringen Emissionen gerecht zu werden, wurde ein neuer Aufwärtsregler entwickelt. Dieser nicht synchrone Regler kann einen einzelnen Hochspannungsschalter ansteuern und ist vielseitig einsetzbar, sowohl als Aufwärtswandler als auch als Single-Ended-Primärspulenwandler (SEPIC). Insbesondere Anwendungen im Automobilbereich erfordern einen breiten Eingangsspannungsbereich, einen niedrigen Ruhestrom sowie Spread-Spectrum-Funktionen. Der LT8357 bietet eine einfache, kompakte und effiziente Lösung für industrielle, Fahrzeug- und batteriebetriebene Systeme (siehe Bild 1).

Analog Devices treibt seit Jahren die Reduktion von Emissionen in Schaltwandlern voran und verschiebt damit kontinuierlich die bisherigen Leistungsgrenzen. Die Einführung der Silent Switcher-Technologie ist zum Synonym für die Erzielung bestmöglicher Emissionswerte geworden. 2020 wurde der erste monolithische Silent Switcher-Aufwärtswandler, der LT8336 vorgestellt. Silent Switcher ICs sind monolithische Wandler, die integrierte synchrone Leistungsschalter enthalten. Diese ICs beinhalten verschiedene Techniken zur Minimierung von Emissionen, die durch das Schalten von Hot Loops verursacht werden, einschließlich der Integration oder Reduzierung von Hot Loops.

Die Silent-Switcher-Architektur ist zwar ein möglicher Ansatz, um niedrige Emissionen zu erreichen, aber nicht die einzige Methode. Mit monolithischen nicht synchronen Wandlern, bei denen nur ein Leistungsschalter in das Silizium oder Gehäuse des ICs integriert ist, lassen sich ebenfalls niedrige Emissionen erzielen. 2

Wie Platinenlayout und Designtechniken die EMI-Emissionen wirksam reduzieren

Ein entscheidender Aspekt bei der Erzielung niedriger Emissionen in SMPS-Wandlern, insbesondere bei Regler-ICs, ist die sorgfältige Gestaltung des Leiterplatten-Layouts. Im Gegensatz zu monolithischen Lösungen, bei denen die Integration von Schaltern zur Emissionsreduzierung eingesetzt wird, müssen bei Regler-ICs zusätzliche Überlegungen zur Emissionsminimierung und zur Einhaltung der CISPR-Normen angestellt werden.

Minimierung der Schaltkreisflächen zur Reduktion elektromagnetischer Störungen

Nicht synchrone Schalt-Aufwärtswandler erfordern die Verwendung eines Hauptschalters und einer Freilaufdiode am Ausgang. Im Gegensatz dazu verwenden synchrone Wandler zwei Gate-Treiber und Leistungsschalter, die über die Steuerlogik synchronisiert werden, um mögliche Leitungsverluste durch (nicht synchrone) Freilaufdioden zu minimieren. Allerdings bringen synchrone Wandler Komplexitäten mit sich, wie z. B. Gate-Timing-Anforderungen zur Vermeidung von Durchschussströmen und den Bedarf an zusätzlichem Siliziumplatz (und Kosten) für High-Side-Gate-Treiber. Nicht-synchrone Wandler benötigen nur einen einzigen Gate-Treiber und keine Austastzeit zwischen Leistungsschalter und Freilaufdiode.

Allerdings kann die häufige Umschaltung zwischen diesen beiden Komponenten bei Low-EMI-Wandlern zu Problemen führen. Um potenzielle Probleme zu minimieren, hat es sich bewährt, die Hot-Loop in Aufwärtswandlern zu minimieren. Die Hot-Loop besteht aus drei Komponenten: dem Hauptschalter, der Freilaufdiode (bzw. dem Synchronschalter) und dem Ausgangskondensator. In der Regel (wie auch beim LT8357) ist der Spitzenstrom-Messwiderstand des Schalters auch Teil der Hot Loop (siehe Bild 2). In einer SEPIC-Konfiguration ist der Koppelkondensator zwischen den beiden Wicklungen ebenfalls in der Hot-Loop enthalten. Große Hot Loops führen zu einer zusätzlichen Induktionsspannung in den Hochstrom-Schaltpfaden. Diese zusätzliche Induktivität kann zu Spannungsspitzen an den jeweiligen Knotenpunkten führen, die leider zu einer erheblichen Emissionsquelle werden. Bild 3 zeigt, wie das Hot-Loop-Management dazu beiträgt, einige leitungsgebundene Spannungsemissionen zu reduzieren.

So senkt ein kompaktes Design die EMI-Emissionen deutlich

Die Verkleinerung der Schaltknotenfläche ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Leiterplatten mit geringen elektromagnetischen Störungen. Die Schaltknotenfläche besteht aus dem Drain-Anschluss des Schalters, einem Zweig der Drossel und der Anode der Freilaufdiode. Zwar mag die Verwendung einer großen Schaltknotenfläche verlockend sein, da diese die Oberfläche für die Wärmeleitung vergrößert, allerdings kann dies zu erhöhten Emissionen führen.

Begrenzung der Schalknotenfläche auf einen Layer

Es ist wichtig, die Schaltknotenfläche nach Möglichkeit auf einer einzigen Ebene zu halten. In manchen Fällen könnten Designer aufgrund von Größenbeschränkungen versucht sein, die Drossel auf der einen Seite und den Schalter auf der anderen Seite zu platzieren. Dies erfordert jedoch, dass die Schaltknotenfläche einige Durchkontaktierungen durchläuft, auf ein anderes Layer wechselt und dann wieder nach oben kommt. Dieser Ansatz spart zwar Platinenplatz ein, führt jedoch zu höheren Emissionen. Die Durchkontaktierungen auf dem Schaltknoten können als zusätzliche Antennen fungieren und Rauschen und andere Arten von Strahlung aussenden, die von den zur Messung von Emissionen verwendeten Antennen leicht erkannt werden können.

Erhöhung der Schaltfrequenz bis zu 2 MHz mit Spread-Spectrum-Frequenzmodulation

Mit zunehmender Verkleinerung der Bauteile und der Integration von mehr Funktionen und Leistungsanforderungen auf immer kleinerem Raum wird es immer wichtiger, die Leiterplattenfläche zu reduzieren, angefangen bei der Stromversorgung. Die Drossel, in der Regel das größte Bauteil, stellt eine Herausforderung bei der Reduzierung der Leiterplattenfläche dar.

Es ist hinreichend dokumentiert, dass bei getakteten Spannungswandlern die erforderliche Induktivität umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz ist. Wenn ein Design beispielsweise eine 10-μH-Drossel für 200 kHz erfordert, würde bei gleichen Leistungsanforderungen bei 2 MHz nur eine 1-μH-Drossel benötigt werden. Der LT8357 bietet die Flexibilität, Schaltfrequenzen bis zu 2 MHz zu unterstützen, wodurch die Größe der Drossel und damit auch der Schaltknoten erheblich reduziert werden kann. Diese Verkleinerung kann sich positiv auf die Emissionen auswirken.

Das Schalten mit 2 MHz bringt zudem einen weiteren wichtigen Vorteil mit sich. CISPR 25 legt einen unteren Grenzwert von 530 kHz bis 1,8 MHz fest, einen Bereich, der als Mittelwellenband bekannt ist und das AM-Rundfunkband enthält. Um die Vorschriften einzuhalten, wird empfohlen, die Schaltfrequenz außerhalb dieses Bereichs festzulegen. Durch das Schalten mit 2 MHz wird dieses Band vollständig vermieden, wodurch ein gewisser Spielraum für die Einhaltung der Anforderungen entsteht. Die Grundfrequenz des Emissionsdiagramms liegt genau bei 2 MHz, wobei die nachfolgenden Oberwellen bei höheren Frequenzen liegen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines sperrigen Niederfrequenzfilters zur Dämpfung von Emissionen unterhalb der unteren CISPR-Grenzwerte.

In einigen Fällen können die Grundfrequenz und die Oberwellen trotz aller Bemühungen immer noch die Grenzwerte überschreiten. Um dieses Problem zu lösen, hat ADI den ersten Aufwärtsregler mit SSFM-Funktion herausgebracht. Diese Funktion ist für die Einhaltung der CISPR 25-Emissionsstandards bedeutend. Der IC verteilt die Schaltfrequenz intelligent auf bis zu 19 % über der eingestellten Frequenz unter Verwendung einer dreieckförmigen Verteilung. Diese Spreiztechnik trägt dazu bei, die Spitzenwerte der Emissionen bei den minimalen und maximalen Frequenzen zu reduzieren.

Split-Gate-Treiber und Steuerung der Schaltknoten-Flankenrate

Während eines jeden Takts durchläuft der Schaltknoten einen Übergang (Anstieg und Abfall) von 0 V auf VOUT, der für einen erheblichen Teil der Hochfrequenzemissionen verantwortlich ist. Bei monolithischen Wandlern bestimmt das IC-Design die Anstiegs- und Abfallcharakteristik des Schaltknotens, wobei die Benutzer keine Kontrolle über diesen Aspekt haben. Glücklicherweise sind viele monolithische Wandler so konzipiert, die Emissionen durch die Steuerung des Schaltflankenverhaltens zu minimieren. Bei Reglern ist der Schalter extern, und der Regler liefert ein Gate-Ansteuersignal zur Steuerung des externen Schalters. Ein guter Regler hat eine präzise Kontrolle über das Einschalten des Schalters, um den Anstieg und Abfall des Drains des Schalters effektiv zu steuern. Eine ordnungsgemäße Steuerung der Anstiegs- und Abfallchakteristik des Schalters führt zu einer erheblichen Reduzierung der abgestrahlten Hochfrequenzemissionen. Zusätzlich kann die Verwendung eines Gate-Widerstands (in der Regel etwa 5 Ω) die abgestrahlten Emissionen bei hohen Frequenzen weiter verringern, dies allerdings auf Kosten eines geringeren Wirkungsgrads. Dieser Kompromiss führt zu zusätzlichen Schaltverlusten aufgrund langsamerer Ein- und Ausschaltzeiten.

Der LT8357 verfügt über eine einzigartige Split-Gate-Treiberfunktion. Bisher konnte ein Benutzer sowohl das Einschalten als auch das Ausschalten des Gates nur mit einem einzelnen Widerstand steuern. Der neue Split-Gate-Treiber ermöglicht eine präzise und unabhängige Steuerung des Ein- und Ausschaltens des Gates. Durch Experimente hat sich herausgestellt, dass das Einschalten des Gates wesentlich mehr zu den abgestrahlten Emissionen beiträgt als das Ausschalten. Die genaue Kontrolle darüber, welche Flanke verlangsamt werden soll, bietet einen erheblichen Vorteil. Durch das Einfügen eines Gate-Widerstands für den Pull-up und das Weglassen desselben für den Pull-down können Emissionen minimiert werden, während gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad beibehalten wird.

Optimale Auswahl und Ansteuerung der Gate-Widerstände

Tabelle 1 (online*) zeigt die Unterschiede hinsichtlich des Wirkungsgrads des 2-MHz-Aufwärtswandlers mit 12 V Eingangsspannung und 24 V, 2 A Ausgangsspannung mit kurzgeschlossenen EMI-Filtern am Eingang und Ausgang. Den Daten zufolge lassen sich die größten Energieeinsparungen erzielen, wenn der R_N-Widerstand auf 0 Ω reduziert wird. Die Gleichungen für die Schaltleistungsverluste ergeben sich wie folgt:

R_GP ist die Kombination aus dem Gate Pull-up-Widerstand des Bauelements aus dem Datenblatt, dem vom Benutzer ausgewählten Gate-Pull-up-Gate-Widerstand und dem Gate-Widerstand R_G aus dem Datenblatt des Schalters. R_GN ist die äquivalente Kombination mit Pull-down-Widerständen. Die Werte für C_iss, C_gd, V_gp und V_TH sind allesamt im Datenblatt des Leistungsschalters zu finden.

Der Widerstand zwischen dem Gate-Treiber und dem Schalter-Gate wirkt sich direkt auf die Leistungsverluste aus. Nach Durchführung aller Berechnungen ist klar, dass die Verluste beim Abschalten erheblich sind. Interessanterweise führt die Gleichung für die Ausschaltverluste zu höheren Verlusten bei gleichem Gate-Widerstand, da beim Ausschalten ein höherer Strom durch den Schalter fließt. Da die Gate-Abschaltung nicht wesentlich zu den Emissionen beiträgt, wird durch die Verwendung eines 0-Ω-Widerstands (bzw. eines Kurzschlusses) vom GATEN-Pin zum Schaltgate der Wirkungsgrad sowie die Emissionen optimiert. Beispielsweise kann bei einem 2-MHz-Schaltwandler durch den Wegfall des Pull-down-Gate-Widerstands eine Verbesserung des Wirkungsgrads um einige Prozentpunkte erzielt werden. Diese Verbesserung ist nicht zu unterschätzen. Der Split-Gate-Widerstand bietet die Vorteile der Emissionsreduzierung, ohne die Beeinträchtigung des Wirkungsgrads, die mit zusätzlichen Gate-Widerständen einhergeht.

Platinenplatz sparen und EMI-Emissionen senken

Der EVAL-LT8357-AZ ist ein Aufwärtswandler, der für geringe elektromagnetische Störungen bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz ausgelegt ist. Es ist mit einer relativ großen Drossel mit den Abmessungen 8 mm × 8 mm × 8 mm ausgestattet. Für Benutzer, denen diese Drossel zu groß ist, kann die Platine jedoch leicht für den Betrieb mit einer Schaltfrequenz von 2 MHz modifiziert werden, wobei die gleichen Spannungs- und Leistungsspezifikationen beibehalten werden. Diese Modifikation ermöglicht eine erhebliche Verkleinerung der Drossel von 8 mm × 8 mm × 8 mm auf die kleinere Drossel XGL4030-102 mit den Maßen 4 mm × 4 mm und einer Höhe von 3 mm. Zudem entfällt die Notwendigkeit für den Bulk-Hybrid-Polymer-Ausgangskondensator, wodurch der Eingangs-EMI-Filter kleiner ausfallen kann. Diese Modifikationen führen zu einer erheblichen Platzeinsparung, während der Betrieb weiterhin von einer Eingangsspannung von 12 V auf eine Ausgangsspannung von 24 V mit 2 A möglich ist.

Einfache Bedienung, hohe Effizienzen und geringe EMI-Emissionen

Der Aufwärtsregler LT8357 ist ein Produkt mit vielen Funktionen, das für geringe EMI-Emissionen ausgelegt ist, aber dabei dennoch benutzerfreundlich bleibt. Der 10-Pin-IC lässt Designs weder übermäßig komplex noch zu simpel werden. Es enthält keine unnötigen Funktionen wie einen synchronen Schalter, wodurch ein optimiertes Design gewährleistet wird. Es steht eine ausreichende Anzahl von Funktionen zur Verfügung, um einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Emissionen zu gewährleisten. Die Kombination dieser Funktionen und das einfache Design machen das Bauelement zu einer perfekten Ergänzung der in Tabelle 2 (online*) gezeigten Familie von emissionsarmen Aufwärtswandlern.

Dieser Aufwärtsregler der neuesten Generation wurde speziell im Hinblick auf die wachsende Nachfrage nach Hochspannungs- und Hochstrom-Aufwärtswandlern mit geringen Emissionen entwickelt. Es handelt sich dabei um einen nicht synchronen Regler, der einen einzelnen Hochspannungsschalter ansteuert und sowohl als Aufwärts- als auch als SEPIC-Wandler vielseitig einsetzbar ist. Zudem geht die Anpassbarkeit noch über diesen Punkt hinaus. Seine Current Mode-Architektur ermöglicht einen anpassbaren und synchronisierbaren Festfrequenzbetrieb von 100 kHz bis 2 MHz. Es kann außerdem ein interner 19-%-Dreieck-SSFM-Betrieb aktiviert oder deaktiviert werden, was zu einem verbesserten EMI-Verhalten führt. Der 5-V-Split-Gate-Treiber ist ein sehr nützliches Werkzeug zur Optimierung des Kompromisses zwischen Emissionen und Wirkungsgrad in einem N-Kanal-MOSFET oder GaNFET.

Mit einem breiten Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 60 V, einem dedizierten PGOOD-Pin sowie einem niedrigen Ruhestrom von 8 µA bietet der Aufwärtsregler eine einfache, kompakte und effiziente Lösung für industrielle, Automobil- und batteriebetriebene Systeme. (mr)

* Keith Szolusha ist Applications Director bei Analog Devices, Kevin Thai ist Applications Manager bei Analog Devices

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