Störarme Schaltnetzteile

Techniken zur Störminderung in Stromversorgungen
Störarme Schaltnetzteile
Von Alfred Hesener
Platzierung und Layout
Beim Leiterplattendesign muss ein Kompromiss zwischen kompaktem Aufbau und minimierter Störsignal-Kopplung
gefunden werden. Die wesentlichen Layout-Regeln sind:
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Bild 3. Das Platinenlayout (zwei Lagen, Bestückungsseite: rot, Lötseite: blau) des störarmen Schaltnetzteils.
Langgezogener Aufbau des Eingangsfilters, um die parasitäre Kopplung vom Netzanschluss zum Netzteil zu
minimieren.
Möglichst kleine Verbindung zwischen Drain des oberen, mit der Versorgungsspannung verbundenen MOSFETs und
Transformator, um die kapazitive Auskopplung von Störsignalen zu minimieren.
Kurze, breite Leiterbahnen und möglichst kleine Leiterbahnschleifen für den Schaltungsteil mit hoher di/dt.
Großer Abstand zwischen Primär- und Sekundärseite, um die kapazitive Kopplung zu minimieren.
Große Masse-Flächen für einen nieder-induktiven Anschluss und Rückführung der geschalteten Signale.
Symmetrische Leiterbahnführung auf der Sekundärseite.
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Bild 4. Die fertig bestückte Leiterplatte des störarmen Schaltnetzteils.
Das fertige Leiterplatten-Layout für das störarme Schaltnetzteil zeigt Bild 3. Um nun den Einfluss der verschiedenen
Massnahmen auf die Störsignal-Dämpfung zu bestimmen, wurde die Stromversorgung aufgebaut (Bild 4) und bei
Nennlast getestet.
Die Messkurven in Bild 5 zeigen sehr deutlich, dass die verschieden Maßnahmen unterschiedlichen Einfluss auf das
resultierende Störspektrum am Ausgang haben. Der Übersichtlichkeit halber wurde hier nur der Frequenzbereich von
600 kHz bis 700 kHz dargestellt, um anhand einer Oberwelle der Schaltfrequenz den Einfluss der verschiedenen
Maßnahmen zu diskutieren. Die oberen vier Kurven in Bild 5 zeigen das Ausgangssignal mit ungeschirmtem
Übertrager – zunächst ohne jede Filtermaßnahme –, dann mit EMV-Filter am Eingang, LC-Filter am Ausgang, und
zuletzt Kapazitäts-Multiplizierer.
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Bild 5. Die Schirmwicklungen im Übertrager sind das entscheidende Element.
Da die Oberschwingung der Schaltfrequenz vom Übertrager so stark eingekoppelt wird, sind alle diese
Filtermaßnahmen wenig wirksam. Nicht sichtbar in dieser Darstellung ist, dass diese Filtermaßnahmen sehr wohl einen
großen Einfluss auf das Grundrauschen am Ausgang (EMI-Filter, Kapazitäts-Multiplizierer) als auch die Dämpfung
höherfrequenter Störungen (LC-Filter, Kapazitäts-Multiplizierer) haben.
Die unteren vier Kurven in Bild 5 zeigen das Störspektrum am Ausgang mit geschirmtem Übertrager. Damit sind die
Störsignale von vornherein ca. 10 dB geringer; die Filtermaßnahmen führen zu einer weiteren deutlichen
Verringerung, da jetzt die Impedanz des Übertragers für diese Störsignale deutlich höher ist. Wiederum nicht sichtbar
ist, dass durch die Schirmwicklungen des Übertragers die Pegel der Oberschwingungen jetzt bei höheren Frequenzen
deutlich niedriger ist – auch ohne weitere Filtermaßnahmen.
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Bild 6. Nicht nur das Schaltnetzteil selbst, sondern auch die angeschlossene Last verursacht Störsignale auf der Versorgungsspannung.
In Bild 6 ist dargestellt, wie Störsignale der Last von der Stromversorgung gedämpft werden. Hierzu wurde ein
sinusförmiger Laststrom mit einer Amplitude von 30 % des Nennstroms eingeprägt und dessen Frequenz variiert.
Die Kurven M1 (ungeschirmter Übertrager) und M2 (vollständig geschirmter Übertrager) zeigen die Dämpfung am
Ausgang ohne jede weitere Filtermaßnahme, wobei der Unterschied zwischen den Kurven gering ist, da der Einfluss
auf die Regelung klein ist und die Schirmung ihre Vorteile nur im höheren Frequenzbereich zeigt. Die Kurven M3 und
M4 zeigen den Einfluss des LC-Tiefpassfilters, wobei im Bereich der Grenzfrequenz die Dämpfung sinkt und bei
höheren Frequenzen wesentlich besser ausfällt, was im Wesentlichen auf den ausgangsseitigen Kondensator
zurückzuführen ist. Dieses Filter hilft also wesentlich bei der Ausblendung höherfrequenter Störungen, die durch das
Schaltnetzteil verursacht werden, aber nicht bei Störungen durch die Last. Je nach Anwendung sollte insbesondere die
Grenzfrequenz des Filters in einen (hohen) Bereich gelegt werden, der möglichst wenig Interferenz mit den typischen
Lastwechsel-Frequenzen zeigt.
Die Kurven M5 und M6 zeigen nun den Einfluss der Kapazitäts-Multiplizierer, die für eine sehr gleichmäßige
Ausgangsimpedanz über den gesamten Frequenzbereich sorgen. Dass die Dämpfung nicht höher ausfällt als bei der
„nur“ LC-gefilterten Version, liegt an der insgesamt hohen Ausgangsimpedanz des Netzteils in Kombination mit einem
geringen Ausgangsstrom, der nur eine relativ kleine Stromverstärkung in der komplementären Darlington-Stufe
erfordert.
Eine weitere Verringerung der Störsignale am Ausgang ist nur dann sinnvoll, wenn die Last direkt an die
Stromversorgung angeschlossen wird, da jede Leitung parasitäre Induktivitäten und Widerstände einfügt. Falls also
noch „glattere“ Versorgungsspannungen benötigt werden, muss auf Reglerschaltungen direkt an der Last
zurückgegriffen werden, beispielsweise mit Stromquellen angesteuerte Shunt-Regler, die das Non-Plus-Ultra an
Störsignaldämpfung darstellen, allerdings auch aufwendig sind und Verluste erzeugen.
Für moderne Mess- und Testgeräte sind Schaltnetzteile gut geeignet, wenn geeignete Maßnahmen ergriffen werden,
um die Störsignale des Stromnetzes, des Schaltnetzteils selbst sowie die durch die Last verursachten Störungen zu
minimieren. Damit lassen sich alle Vorteile eines Schaltnetzteils auch für diese Anwendungen erschließen, wie
Weitbereichs-Eingang, kompakter Aufbau mit vielen Schutzfunktionen sowie hoher Wirkungsgrad.
Literatur & Autor
[1] FSQ500N – Green Mode Fairchild Power Switch (FPS).www.fairchildsemi.com/ds/FS/FSQ500N.pdf
[2] FOD2741A, FOD2741B, FOD2741C – Optically Isolated Error
Amplifier.www.fairchildsemi.com/ds/FO/FOD2741A.pdf
[3] UF4001 – UF4007 Fast Rectifiers. www.fairchildsemi.com/ds/UF/UF4007.pdf
Alfred Hesener
ist als Director Marketing and Applications Europe bei Fairchild Semiconductor zuständig
für den gesamten Bereich der Anwendungstechnik mit Fokus auf Leistungselektronik in
industriellen und Automobil-Anwendungen. Zuvor war er bei Infineon Technologies für die
Entwicklung analoger Schaltungen und technisches Marketing für Leistungselektronik
sowie bei Atmel für Field Application Engineering zuständig. Einen Master hat er in
Electronic Engineering und kann auf 15 Jahre Berufserfahrung zurückblicken. Er hat sich
auf die Themenbereiche Ökodesign und Systemdesign spezialisiert und verfasst seit
Jahren technische Beiträge.
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