Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Entwurf von Spannungsversorgungen: Auch besondere Herausforderungen meistern


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von Christoph B. (birki2k)


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Empfindliche Messaufgaben, Sensoren oder Hochfrequenzschaltungen erfordern besondere Umsicht beim Design der Spannungsversorgung. Hierbei stehen Entwicklern zahlreiche Optionen zur Verfügung. Mit der Kenntnis darüber und einem Verständnis für die wichtigsten Parameter und deren Zusammenspiel lassen sich auch komplexe Problemstellungen in den Griff bekommen.

Basics: Linearregler versus Schaltregler

Linearregler gelten noch immer als das Mittel der Wahl, wenn es darum geht, möglichst geringe Störungen zu verursachen. Doch auch der einfache Aufbau und die geringe externe Beschaltung sprechen für diese Art der Regler. Als Nachteil kommt es gegenüber Schaltreglern zu höheren Verlusten. Analog zu einem Spannungsteiler fungiert hier ein Transistor als regelbarer Widerstand, der die Differenz von Eingangs- zu Ausgangsspannung einstellt. Die Verluste ergeben sich dabei näherungsweise durch die Multiplikation dieser Spannungsdifferenz mit dem Ausgangsstrom des Reglers. Für kleine Spannungen bei großen Eingangsspannungen ergeben sich dadurch jedoch äußerst geringe Wirkungsgrade, was neben hohen Verlusten auch für eine hohe Wärmeentwicklung sorgen kann.

Im Gegensatz dazu bieten Schaltregler hohe Wirkungsgrade, da durch das zyklische Umschalten eines Schalters und die Speicherung der Energie keine derart hohen Verluste wie bei Linearreglern auftreten. Zwar kommt hier in der Regel auch ein Transistor zum Einsatz, dieser wird jedoch als reiner Schalter verwendet. Somit wechselt dieser zwischen den Zuständen „offen“, also maximaler Strom bei geringem Spannungsabfall und „geschlossen“, also maximale Spannung, dafür kein Stromfluss. Dadurch wird kaum Verlustleistung am Transistor erzeugt. Als Nachteil ergeben sich jedoch durch den Umschaltvorgang zusätzliche Störungen, die meist schmalbandig auftreten, weswegen der Einsatz je nach Anwendung oft gescheut wird.

Vorteile von Linearreglern und Schaltreglern kombinieren

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Wie bereits festgestellt, bieten Schaltregler die Möglichkeit, hohe Spannungsdifferenzen bei überschaubaren Verlusten bereitzustellen. Falls Störungen problematisch sind, lassen sich diese durch nachgeschaltete Filter reduzieren. Für besonders empfindliche Schaltungen kann auch ein zusätzlicher Linearregler nachgeschaltet werden. In dem Fall regelt der Schaltregler auf eine Spannung, die leicht über der gewünschten Ausgangsspannung liegt. Der Linearregler sorgt dafür, dass die Störanteile möglichst unterdrückt werden und eine saubere Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Der Wirkungsgrad ist zwar etwas schlechter als bei einem reinen Schaltnetzteil, je nach Anwendung aber deutlich besser, als es durch die alleinige Verwendung eines Linearreglers möglich wäre. Bei einer solchen Kombination sollten die Regler wie später noch erläutert aufeinander abgestimmt sein, um die oben genannten Vorteile voll auszuschöpfen.

Auswahl passender Regler und deren Beschaltung

Für nahezu jede Anwendung gibt es mittlerweile passende, optimierte Regler. Die Zeiten, zu denen man nur auf Standardregler wie LM7805, LM317 und Co zurückgreifen konnte, sind schon länger vorbei. Ganz im Gegenteil, sucht man bei Distributoren nach geeigneten Bauelementen, wird man schier von der Masse an Optionen erschlagen. Prinzipiell bietet es sich hier an, besser direkt bei bekannten Herstellern ins Programm zu sehen. Hier sind die verfügbaren Optionen tabellarisch besser aufbereitet und lassen sich in der Regel nach korrekt angelegten Parametern sortieren. Bei Distributoren ist es häufig schwieriger, die passenden Bauteile zu finden, da Parameter oft in unterschiedlichen Einheiten, bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen oder teils auch gänzlich falsch gelistet sind. Um jedoch einen groben Überblick verfügbarer Teile oder eine Übersicht der Marktteilnehmer zu erhalten, eignet sich der Blick in das Sortiment der Distributoren in jedem Fall. Auch bei geringen Anforderungen sollte sich so etwas Passendes finden lassen, für spezielle Wünsche kommt man meist nicht um die Recherche bei den Herstellern herum.

Teileauswahl: Wichtigste Parameter und Simulationsmöglichkeiten

Aufgrund der schon erwähnten Masse an verfügbaren Teilen und stetig neuen Produktveröffentlichungen, erscheint es an der Stelle wenig lohnenswert, konkrete Empfehlungen auszusprechen. Vielmehr soll darauf eingegangen werden, worauf grundlegend bei der Teileauswahl geachtet werden sollte. Vorausgesetzt wird, dass man sich über die Anforderungen bezüglich Ein- und Ausgangsspannungen, Strombedarf und thermischen Rahmenbedingungen im Klaren ist. Darüber hinaus sollten bei Linearreglern zumindest die folgenden Parameter beachtet werden:

Dropout Voltage
Gibt diejenige Spannung an, die mindestens über dem Regler abfallen muss, damit ein korrektes Regelverhalten möglich ist. Modernen Regler, bei denen diese Spannung meist sehr gering ausfällt, werden auch als LDO bezeichnet.
Quiescent Current
Ruhestrom, der auch ohne Ausgangsstrom fliest. Wichtig bei besonders effizienten Schaltungen, etwa im Batteriebetrieb
RMS Noise
Gemitteltes Rauschen über einen größeren Spektralbereich. Dieser Wert ist eigentlich nur unter Angabe des Frequenzbereiches sinnvoll, in der Regel wird jedoch von dem Bereich zwischen 10 Hz und 100 kHz ausgegangen.
PSRR
Die Power Supply Rejection Ratio gibt an, um wie viel eingangsseitige Störungen durch den Regler unterdrückt werden können. Dieser Wert ist frequenzabhängig und besonders bei der Verwendung in Kombination mit einem Schaltregler relevant.

<i>WEBBENCH von TI</i>
WEBBENCH von TI

Je nach Anwendung kommt man nicht um die Verwendung von Schaltreglern herum, spätestens bei gewünschter galvanischer Trennung ist mit klassischen Reglern Schluss. Hier wird die Sache bezüglich der parametrischen Auswahl schon deutlich komplexer, da hier je nach Topologie auf verschiedene Punkte zu achten ist und sich die Auswahl externer Bauteile noch stärker auf das Ergebnis auswirkt. In jedem Fall sollte man sich aber über die Schaltfrequenz und die Dimension des auftretenden Ripples bewusst sein. Hierzu sollte das Schaltreglerdesign idealerweise simuliert werden. Glücklicherweise gibt es mittlerweile gute Tools von Herstellern, die an der Stelle unterstützen. Bei WEBBENCH von Texas Instruments kann man beispielsweise die gewünschten Parameter und Optimierungsziele eingeben und erhält anschließend einen Schaltungsvorschlag, der sich auch simulieren lässt. Auch bei Analog Devices sind für die meisten Regler Modelle für eigene Simulationsprogramme wie LTSpice oder LTpowerCAD verfügbar, die Auswahl geeigneter Spulen oder Filter kann beispielsweise mittels REDEXPERT von Würth Elektronik erfolgen. Natürlich sind diese Tools von Herstellern jeweils an das eigene Produktportfolio geknüpft, können den Designprozess aber enorm erleichtern. Alternativ lassen sich auch fertig integrierte DC-DC-Konverter verwenden. Hier werden Vergleich und Verwendung deutlich einfacher, dafür sind diese Regler in der Regel deutlich teurer und lassen sich nicht so gut an eigene Bedürfnisse anpassen.

Richtige Verwendung von Filterschaltungen

Wie bereits in einem früheren Artikel zu Abblockkondensatoren dargelegt, ist es meist nicht zielführend, nach eigenem Gutdünken zufällige Bauteilwerte zu verwenden. Inzwischen bieten auch Hersteller passiver Komponenten wie beispielsweise Kemet oder Murata umfassende Simulationsmöglichkeiten an. Diese können schnell Antwort geben, ob der zufällig aus der Bauteilkiste gezogene Ferrit für den Einsatzzweck überhaupt das gewünschte Verhalten bietet.

Zusätzlich zu klassischen passiven Filterelementen ist es auch bei Leistungsübertragung möglich, aktiv zu filtern. Als nützliche Schaltung sei hier als Beispiel der Kapazitätsmultiplizierer angeführt, wobei sich als Nachteil ein zusätzlicher Spannungsabfall durch die Schaltung ergibt. Fertig gibt es Leistungsfilter etwa von Texas Instruments, wodurch z.B. die PSRR bestehender Regler verbessert werden kann.

Layout ist entscheidend

Unabhängig davon, wie gut die Komponentenauswahl ausfällt, kann ein schlechtes Layout dafür sorgen, dass die erwarteten Eigenschaften der Schaltung ausbleiben oder es zu größeren Problemen kommt. Das Layout sollte daher als wesentlicher Bestandteil des Designs angesehen werden. Als ersten Schritt sollte man sich die konkreten Hinweise zum Layout in Datenblatt oder App Note ansehen und versuchen, die jeweiligen Gründe hinter den Empfehlungen zu verstehen. Aber Vorsicht, auch in Datenblättern kommt es zu Fehlern. Einen guten Überblick der wichtigsten Gedankengänge beim Layout von Schaltreglern gibt Lothar Miller in diesem Beispiel. Sehr empfehlenswert ist das Video von Thomas Wischnack zum Thema „Troubleshooting Your Designs“. Hier wird neben häufigen Fehlern beim Schaltreglerlayout insbesondere auch auf das richtige Layout bei Filtern eingegangen.

Beispiele

Beispiel 1: Negative Spannungsversorgung

Oftmals benötigt man für analoge Schaltungen eine negative Versorgung, jedoch ist der Strombedarf hier meist nicht besonders hoch. Dafür gibt es eine Vielzahl an fertigen Reglern diverser Hersteller, die meist auf einer Landungspumpe basieren und so sehr kompakt ohne Spule auskommen. Beim LM27761 ist beispielsweise auch gleich ein Linearregler mit verbaut, weshalb man mit besonders wenig Bauteilen auskommen kann. Möchte man dennoch auf Nummer Sicher gehen, kann man den Regler durch passive Filter ergänzen. Ein Blick ins Datenblatt verrät, dass der Regler bei 2 MHz arbeitet, auf diese Frequenz sollte dann auch der Filter ausgelegt werden. Entscheidet man sich der Einfachheit wegen für einen dreipoligen Filter, könnte man z.B. die beiden Filter NFM31PC276B0J3 und NFM15CC222D1A3 von Murata ins Auge fassen. Ein Vergleich der Transmissionsfaktoren zeigt jedoch, dass man sich einen der beiden Filter für diese Anwendung eher sparen kann. An der Stelle sei darauf hingewiesen, dass moderne Operationsverstärker oft bereits über eine sehr hohe PSRR verfügen. Ob und wie stark man hier zusätzlich filtern muss, sollte man sich anhand der konkreten Anwendung überlegen, gegebenenfalls müssen auch Einstreuungen beachtet werden.

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Beispiel 2: Versorgung für Takterzeugung mit Quarzofen

In diesem Beispiel steht eine mit einem Schaltnetzteil erzeugte Spannung von 5 V zur Verfügung, wobei eine empfindliche Oszillatorschaltung mit 3,3V versorgt werden soll. Als Linearregler kommt ein ADM7151 zum Einsatz, welcher über geringes Rauschen und eine hohe PSRR verfügt. Die PSRR wird dabei besser, je höher der Spannungsabfall über dem Regler ist, jedoch flachen die Kurven aus dem Datenblatt mit steigender Spannung stark ab. Die PSRR lässt sich daher mit einem aktiven Filter wie dem TPS7A3501 verbessern. Als zusätzlicher Effekt lässt sich die Verlustleistung so zwischen den beiden Komponenten aufteilen, was die thermischen Anforderungen für den Regler entspannt.

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<i>Kurve aus ADM7151-Datenblatt</i>
Kurve aus ADM7151-Datenblatt

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass besonders die zahlreichen Simulationsmöglichkeiten seitens der Hersteller den Entwicklungsprozess heute deutlich erleichtern. So ist es etwa möglich, komplexe Schaltreglerdesigns zu entwerfen, auch ohne das Schaltverhalten von Hand berechnen zu können. Der gründliche Blick ins Datenblatt und ein gewisses Grundverständnis lässt sich so dennoch nicht ersetzen. Dieser Artikel stellt dabei keinen Anspruch auf Vollständigkeit, dazu ist das Themenfeld zu komplex. Vielmehr soll Orientierung geschaffen und der ein oder andere Hinweis gegeben werden.

Weiterführende Links:

Online-Simulationstools


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von Dussel (Gast)


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Moin,

im Abschnitt "Vorteile von Linearreglern und Schaltreglern kombinieren" 
wird ein Linearregler zum Entfernen von Rippleanteilen empfohlen. Kann 
man das so sagen? Dave Jones hat ein Video, in dem er sagt, dass 
Linearregler Ripple gar nicht so gut unterdrücken. 
https://www.youtube.com/watch?v=wopmEyZKnYo&t=217s Er spricht zwar von 
größerem Ripple, der hier schon vom Filter entfernt sein sollte, aber 
trotzdem frage ich mich, ob man Linearregler zum Entfernen von Störungen 
benutzen kann. (Zumindest ein bisschen bringen sie natürlich schon.)
Ich habe damit kaum Erfahrung, deshalb stelle ich es mal zur 
(hoffentlich konstruktivem) Diskussion.

von Dieter D (Gast)


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Der Rippel wird vom Linearregler bei weniger Volumenbedarf besser 
unterdrueckt im Vergleich zu weiteren Filterstufen. Wenn das nicht 
reicht, kann noch eine aktive Filterung ergaenzt werden.

von Dussel (Gast)


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Ok. Danke.

von Christoph B. (birki2k)


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Dussel schrieb:
> im Abschnitt "Vorteile von Linearreglern und Schaltreglern kombinieren"
> wird ein Linearregler zum Entfernen von Rippleanteilen empfohlen.

Guter Punkt, das ist in dem Artikel vielleicht zu kurz gehalten. Moderne 
LDOs sind hier gar nicht so schlecht, wie man meinen könnte, auch bei 
niedrigen Frequenzen. Das Beispiel von Dave bestätigt den Punkt von oben 
aber ganz gut, dass man immer ins Datenblatt sehen sollte anstatt blind 
den ersten LDO aus der Schublade zu nehmen. Sieht man sich z.B. andere 
Regler (siehe Anhang) an, sieht die Sache völlig anders aus. Dass die 
Dropoutspannung bei der Auslegung berücksichtigt werden sollte, habe ich 
hoffentlich in Beispiel 2 gezeigt. Wenn die gegen 0 geht, hat der Regler 
wenig Raum um zu regeln. Ebenso lassen sich passive oder aktive Filter 
und LDOs kombinieren, dazu muss man die Schaltfrequenz (und Oberwellen) 
bei der Bauteilwahl berücksichtigen. Eine pauschale Aussage "LDOs sind 
schlecht für x" ist da im Detail nicht mehr ausreichend, dazu sind die 
mittlerweile zu gut geworden.

In dem ersten Link unten (Output Noise Filtering for DC/DC Power 
Modules, Application Report, Texas Instruments) wird darauf und weitere 
Punkte, wie z.B. Regelverhalten, noch mal genauer eingegangen und die 
Testschaltungen auch vermessen.

: Bearbeitet durch NewsPoster
von Andrew T. (marsufant)


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Das sehr gut ausgelegte Schaltregler auch in Bereich unter 0.1 mV 
Ripple/Noise kommen können:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an70.pdf

Sehr lesenswerter Artikel von Jim, trotz des Alters.

von Christoph B. (birki2k)


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Andrew T. schrieb:
> Sehr lesenswerter Artikel von Jim, trotz des Alters.

Danke, wirklich interessant! Leider jetzt erst dazugekommen mir das 
anzusehen, ich habe es mal oben bei der Linksammlung mit aufgenommen.

von A. G. (grtu)


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Sehr schöner Artikel, vielen Dank! :)

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