Die meisten elektronischen Systeme benötigen eine Art Umwandlung zwischen der Versorgungsspannung und der zu versorgenden Schaltkreisspannung. Wenn die Batterie ihre Ladung verliert, sinkt die Spannung. Einige DC-DC-Umwandlungen können dafür sorgen, dass mehr in der Batterie gespeicherte Energie zur Stromversorgung des Schaltkreises verwendet wird. Wenn wir außerdem 110-V-Wechselstromleitungen verwenden, können wir Halbleiter wie Mikrocontroller nicht direkt mit Strom versorgen. Da fast jedes elektronische System Spannungswandler (auch Netzteile genannt) verwendet, wurden diese im Laufe der Jahre für unterschiedliche Einsatzzwecke optimiert. Natürlich sind Optimierungsziele normalerweise Lösungsgröße, Konvertierungseffizienz, EMI und Kosten.

Einfache Stromversorgung: LDO

Eine der einfachsten Formen der Stromversorgung ist der Low-Dropout-Regler (LDO). LDO ist im Gegensatz zu einem Schaltregler ein linearer Regler. Der Linearregler platziert einen einstellbaren Widerstand zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung unabhängig davon, wie sich die Eingangsspannung ändert und welcher Laststrom durch das Gerät fließt, konstant bleibt. Abbildung 1 zeigt das Grundprinzip dieses einfachen Spannungswandlers.

Abbildung 1. Linearer Spannungsregler wandelt eine Spannung in eine andere um.

Der typische Stromrichter besteht seit vielen Jahren aus einem 50-Hz- oder 60-Hz-Transformator, der an das Stromnetz angeschlossen ist und bei einem bestimmten Wicklungsverhältnis eine instabile Ausgangsspannung erzeugt, die um mehrere Volt höher ist als die erforderliche Versorgungsspannung das System. Anschließend wird ein Linearregler verwendet, um diese Spannung in eine stabile geregelte Spannung umzuwandeln, die für elektronische Produkte erforderlich ist. Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm dieses Konzepts.

2. Netztransformator, gefolgt von einem linearen Spannungsregler.

Das Problem bei der Grundkonfiguration in Abbildung 2 besteht darin, dass der 50-Hz-/60-Hz-Transformator relativ sperrig und teuer ist. Darüber hinaus gibt der Linearregler auch viel Wärme ab, sodass der Gesamtwirkungsgrad des Systems gering ist und es aufgrund der hohen Leistung des Systems schwierig ist, die erzeugte Wärme abzuleiten.

Um die Nachteile des in Abb. dargestellten Netzteils zu vermeiden. 2 wurde das Schaltnetzteil erfunden. Sie sind nicht auf 50-Hz- oder 60-Hz-Wechselspannung angewiesen, sondern verwenden Gleichspannung, richten manchmal Wechselspannung gleich, erzeugen Wechselspannung mit höherer Frequenz, um einen kleineren Transformator zu verwenden, oder verwenden einen LC-Filter zur Gleichrichtung der Spannung, um eine Gleichspannung am Ausgang in einem nicht isolierten System zu erzeugen . Der Vorteil besteht darin, dass die Lösung klein und relativ kostengünstig ist. Die erzeugte Wechselspannung muss keine sinusförmige Spannungswellenform haben. Die einfache PWM-Signalwellenform von funktioniert gut und kann mithilfe eines PWM-Generators und -Schalters einfach erzeugt werden.

Bis zum Jahr 2000 waren Bipolartransistoren häufig verwendete Schalter. Sie haben eine gute Leistung, aber die Schaltgeschwindigkeit ist relativ niedrig. Der Wirkungsgrad ist nicht hoch und die Schaltfrequenz ist auf 50 kHz oder 100 kHz begrenzt. Heutzutage verwenden wir Schalt-MOSFETs anstelle von Bipolartransistoren und die Schaltgeschwindigkeit ist viel schneller. Andererseits ist der Schaltverlust geringer und die Schaltfrequenz beträgt bis zu 5 MHz. Eine solch hohe Schaltfrequenz ermöglicht es der Leistungsstufe, eine sehr kleine Induktivität und Kapazität zu verwenden.

Schaltregler bringen viele Vorteile mit sich. Sie bieten in der Regel eine hocheffiziente Spannungsumwandlung, ermöglichen eine Auf- und Abwärtstransformation und bieten ein relativ kompaktes und kostengünstiges Design. Der Nachteil besteht darin, dass der Design- und Optimierungsprozess kompliziert ist und die Schaltwandlung und Schaltfrequenz auch EMI erzeugen. Schaltnetzteilregler und LTpowerCAD® Und LTspice® Die Verfügbarkeit von Entwurfstools für Stromversorgungen hat diesen schwierigen Entwurfsprozess erheblich vereinfacht. Mit diesen Werkzeugen kann der Schaltungsentwurfsprozess für Schaltnetzteile halbautomatisiert werden.

Isolation in der Stromversorgung

Beim Entwurf einer Stromversorgung ist zunächst die Frage zu beantworten, ob eine galvanische Trennung erforderlich ist. Die elektrische Isolierung wird aus mehreren Gründen eingesetzt. Es kann die Sicherheit des Stromkreises verbessern, den Betrieb des Floating-Systems ermöglichen und verhindern, dass sich der rauschende Erdungsstrom über verschiedene elektronische Geräte in einem Stromkreis ausbreitet. Zwei gängige Isolationstopologien sind Sperrwandler und Vorwärtswandler. Für höhere Leistungen werden jedoch andere Isolationstopologien wie Push-Pull, Halbbrücke und Vollbrücke verwendet.

Wenn keine galvanische Trennung erforderlich ist, wird in den meisten Fällen eine nicht isolierte Topologie verwendet. Die Topologie erfordert immer einen Transformator, und diese Art von Ausrüstung ist oft teuer und sperrig, und serienmäßige Ausrüstung, die genau die Anforderungen einer maßgeschneiderten Stromversorgung erfüllt, ist normalerweise schwer zu bekommen.

Die häufigsten Topologien, bei denen keine Isolierung erforderlich ist

Die übliche nicht isolierte Schaltnetzteiltopologie ist der Tiefsetzsteller, auch Abwärtswandler genannt, der eine positive Eingangsspannung empfängt und eine Ausgangsspannung erzeugt, die niedriger als die Eingangsspannung ist. Es handelt sich um eine der drei grundlegenden Schaltnetzteiltopologien und benötigt lediglich zwei Schalter, eine Induktivität und zwei Kondensatoren. Abbildung 3 zeigt das Grundprinzip dieser Topologie. Der High-End-Schalter sendet Impulsstrom vom Eingangsanschluss und erzeugt eine Schaltmodusspannung, die zwischen der Eingangsspannung und der Massespannung wechselt. Der LC-Filter erhält die Impulsspannung am Schaltknoten und erzeugt eine DC-Ausgangsspannung. Entsprechend dem Tastverhältnis des PWM-Signals des High-End-Schalters werden unterschiedliche Pegel an DC-Ausgangsspannungen erzeugt. Dieser DC-DC-Abwärtswandler hat einen hohen Wirkungsgrad, ist relativ einfach zu bauen und erfordert wenige Komponenten.

Abbildung 3. Konzept eines einfachen Abwärtswandlers.

Der Tiefsetzsteller gibt am Eingang einen Impulsstrom ab, während der Ausgang über einen Dauerstrom von der Induktivität verfügt. Aus diesem Grund ist das Rauschen des Tiefsetzstellers am Eingang sehr laut, am Ausgang jedoch nicht so laut. Es ist wichtig, dies zu wissen, wenn Sie ein geräuscharmes System entwerfen.

Neben der Buck-Topologie ist die Boost-Topologie die zweite Grundtopologie. Die Boost-Topologie verwendet dieselben fünf grundlegenden Leistungselemente wie die Buck-Topologie, aber nach der Neuanordnung wird die Induktivität am Eingang und der High-Side-Schalter am Ausgang platziert. Die Boost-Topologie wird verwendet, um eine Eingangsspannung auf eine Ausgangsspannung zu erhöhen, die höher als die Eingangsspannung ist.

Abbildung 4. Konzept eines einfachen Aufwärtswandlers.

Bei der Auswahl eines Hochsetzstellers ist zu beachten, dass im Datenblatt des Hochsetzstellers immer der maximale Nennschaltstrom und nicht der maximale Ausgangsstrom angegeben wird. Beim Tiefsetzsteller steht der maximale Schaltstrom in direktem Zusammenhang mit dem maximal erreichbaren Ausgangsstrom und hat nichts mit dem Spannungsverhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung zu tun. Beim Boost-Regler wirkt sich das Spannungsverhältnis direkt auf den möglichen maximalen Ausgangsstrom basierend auf dem festgelegten maximalen Schaltstrom aus. Bei der Auswahl des passenden Boost-Regler-ICs sollte man neben dem benötigten Ausgangsstrom auch die in der Entwicklung ausgelegten Eingangs- und Ausgangsspannungen kennen.

Das Rauschen des Aufwärtswandlers am Eingang ist sehr gering, da die mit der Eingangsverbindung übereinstimmende Induktivität verhindern kann, dass sich der Strom schnell ändert. Auf der Ausgangsseite ist das Rauschen dieser Topologie jedoch sehr groß. Wir sehen nur den Impulsstrom, der durch den externen Schalter fließt, daher achten wir mehr auf die Ausgangswelligkeit als auf die Buck-Topologie.

Die dritte Grundtopologie ist der invertierende Tief-Hochsetzsteller, der aus nur fünf Grundkomponenten besteht. Dieser Wandler nimmt eine positive Eingangsspannung und wandelt sie in eine negative Ausgangsspannung um, daher der Name. Darüber hinaus kann die Eingangsspannung höher oder niedriger sein als der Absolutwert der invertierten Ausgangsspannung. Beispielsweise kann die Ausgangsspannung von –12 V aus 5 V oder 24 V am Eingang erzeugt werden. Dies kann ohne besondere Schaltungsmodifikation geschehen. Abbildung 5 zeigt das Schaltungskonzept des invertierenden Tief-Hochsetzstellers.

Abbildung 5. Konzept eines einfachen invertierenden Tief-Aufwärts-Wandlers.

Bei der invertierten Buck-Boost-Topologie ist die Induktivität vom Schaltknoten aus geerdet. Da am Ein- und Ausgang des Wandlers Impulsströme auftreten, ist das Rauschen am Ein- und Ausgang dieser Topologie hoch. Bei rauscharmen Anwendungen wird diese Eigenschaft durch zusätzliche Eingangs- und Ausgangsfilterung kompensiert.

Ein vorteilhafter Aspekt der invertierten Buck-Boost-Topologie besteht darin, dass jeder Buck-Schaltregler-IC in diesem Wandler verwendet werden kann. Solange die Ausgangsspannung der Tiefsetzschaltung mit der Systemmasse verbunden ist. Die Erdung der IC-Abwärtsschaltung wird zur eingestellten negativen Spannung. Diese Funktion erleichtert die Wahl des Schaltregler-ICs auf dem Markt.

Spezielle Topologie

Neben den drei zuvor besprochenen grundlegenden nicht isolierten Schaltnetzteiltopologien sind viele Topologien verfügbar. Sie alle benötigen jedoch zusätzliche Leistungskomponenten. Dies erhöht normalerweise die Kosten und verringert die Effizienz der Leistungsumwandlung. Obwohl es einige Ausnahmen gibt, erhöht das Hinzufügen zusätzlicher Komponenten im Stromversorgungspfad normalerweise den Verlust. Zu den gängigen Topologien gehören SEPIC, Zeta, UK und 4-Schalter-Buck-Boost. Sie alle haben Funktionen, die die drei Grundtopologien nicht haben. Im Folgenden finden Sie eine Liste wichtiger Merkmale jeder Topologie:

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SEPIC: SEPIC kann eine positive Ausgangsspannung aus einer positiven Eingangsspannung erzeugen, die höher oder niedriger als die Ausgangsspannung ist. Der Boost-Regler-IC kann zum Entwurf einer SEPIC-Stromversorgung verwendet werden. Der Nachteil dieser Topologie besteht darin, dass sie eine zweite Induktivität oder eine Koppelinduktivität und einen SEPIC-Kondensator erfordert.

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Zeta: Dieser Zeta-Konverter ähnelt SEPIC, kann jedoch eine positive oder negative Ausgangsspannung erzeugen. Darüber hinaus gibt es keinen Nullpunkt der rechten Halbebene (RHPZ), wodurch der Regelkreis vereinfacht wird. Der Abwärtswandler-IC kann in dieser Topologie verwendet werden.

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UK: Der UK-Wandler kann positive Eingangsspannung in negative Ausgangsspannung umwandeln. Es verwendet zwei Induktivitäten, eine am Eingang und eine am Ausgang, sodass das Rauschen am Ein- und Ausgang sehr gering ist. Der Nachteil besteht darin, dass es nicht viele Schaltmodus-Leistungsumwandlungs-ICs gibt, die diese Topologie unterstützen, da die Regelschleife negative Spannungsrückkopplungspins benötigt.

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 4Buck-Boost-Schaltung: Diese Art von Wandler erfreut sich in den letzten Jahren großer Beliebtheit. Es liefert eine positive Ausgangsspannung aus einer positiven Eingangsspannung. Die Eingangsspannung kann höher oder niedriger als die geregelte Ausgangsspannung sein. Dieser Wandler verfügt über eine höhere Leistungsumwandlungseffizienz und benötigt nur eine Induktivität, sodass er viele SEPIC-Designs ersetzt.Gemeinsame Isolationstopologie

Zusätzlich zur nicht isolierten Topologie erfordern einige Anwendungen galvanisch isolierte Leistungswandler. Der Grund kann sein, dass aus Sicherheitsgründen in großen Systemen mit verschiedenen miteinander verbundenen Stromkreisen eine erdfreie Erdung erforderlich ist oder dass in rauschempfindlichen Anwendungen eine Erdungsstromschleife verhindert werden muss. Übliche isolierte Wandlertopologien sind Sperrwandler und Vorwärtswandler.

Sperrwandler werden üblicherweise für Leistungen bis 60 W eingesetzt. Die Funktionsweise der Schaltung besteht darin, dass die elektrische Energie während der Leitungszeit im Transformator gespeichert wird. Bei Trennung wird die elektrische Energie an die Sekundärseite des Wandlers abgegeben, um den Ausgang mit Strom zu versorgen. Dieser Konverter ist einfach zu bauen, erfordert jedoch einen relativ großen Transformator, um die gesamte für den Normalbetrieb erforderliche elektrische Energie zu speichern. Einerseits ist diese Topologie auf ein niedrigeres Leistungsniveau beschränkt. Abbildung 6 zeigt oben den Sperrwandler und unten den Vorwärtswandler.

6. Sperrwandler (oben) und Vorwärtswandler (unten).

Neben Sperrwandlern erfreuen sich auch Vorwärtswandler großer Beliebtheit. Es verwendet einen Transformator auf andere Weise als einen Sperrwandler. Während der Leitungszeit fließt der Strom zwar durch die Primärwicklung, aber auch durch die Sekundärwicklung. Elektrische Energie sollte nicht in der Transformatorspule gespeichert werden. Nach jedem Schaltzyklus muss sichergestellt werden, dass die gesamte Magnetisierung der Spule auf Null zurückgeht, damit der Transformator nach mehreren Schaltzyklen nicht in die Sättigung gerät. Zur Freisetzung elektrischer Energie aus der Spule können verschiedene Technologien eingesetzt werden. Eine übliche Methode ist die Verwendung einer aktiven Klemme mit kleinen zusätzlichen Schaltern und Kondensatoren.

Abb. 7 zeigt das schematische Diagramm der LTspice-Simulationsumgebung mit aktivem Clamp-Forward-Design unter Verwendung von ADP1074. Im Vorwärtswandler gibt es eine zusätzliche Induktivität im Ausgangspfad, die im Sperrwandler nicht vorhanden ist, wie in Abbildung 6 dargestellt. Obwohl diese zusätzliche Komponente den damit verbundenen Platz- und Kostenaufwand mit sich bringt, trägt sie dazu bei, im Vergleich zum Sperrwandler eine geringere Rauschausgangsspannung zu erzeugen. Darüber hinaus kann bei gleichem Leistungsniveau wie beim Sperrwandler die für den Durchflusswandler erforderliche Transformatorgröße viel kleiner sein.

Abbildung 7. Aktive Klemmvorwärtsschaltung mit ADP1074 zur Erzeugung einer isolierten Ausgangsspannung, wie in der Simulation in LTspice gezeigt.

Erweiterte Isolationstopologie

Neben der Flyback- und Forward-Topologie gibt es viele Konzepte galvanischer Trennwandler, die auf unterschiedlichen Transformatoren basieren. Die folgende Liste enthält einige grundlegende Erklärungen gängiger Konverter:

• Push-Pull: Die Push-Pull-Topologie ähnelt der Vorwärtswandler-Topologie. Diese Topologie erfordert jedoch zwei aktive Low-Side-Schalter anstelle eines Low-Side-Schalters. Außerdem ist ein Primärtransformator mit Mittelanzapfung erforderlich. Im Vergleich zum Vorwärtswandler bietet der Gegentaktwandler die Vorteile eines geringeren Rauschens und eines kleineren Transformators. Die Hysterese der BH-Kurve des Transformators wird in zwei Quadranten statt in einem verwendet.
  

• Halbbrücke/Vollbrücke: Diese beiden Topologien werden normalerweise für Designs mit höherer Leistung verwendet, beginnend bei mehreren hundert Watt bis hin zu mehreren Kilowatt. Sie benötigen neben Low-Side-Schaltern auch High-Side-Schalter, können aber eine hohe Leistungsübertragung durch relativ kleine Transformatoren erreichen.
  

• ZVS: Dieser Begriff wird normalerweise verwendet, wenn es um isolierte Hochleistungswandler geht. Es steht für Zero-Voltage-Switching. Ein anderer Begriff für diesen Wandlertyp ist LLC-Wandler (Induktivität-Induktivität-Kapazität). Der Zweck dieser Architekturen besteht darin, eine effiziente Konvertierung zu erreichen. Sie erzeugen Resonanzkreise und schalten den Leistungsschalter, wenn die Spannung oder der Strom am Schalter gegen Null geht. Dadurch wird der Schaltverlust minimiert. Allerdings ist ein solches Design schwer zu realisieren und die Schaltfrequenz ist nicht festgelegt, was manchmal zu EMI-Problemen führt.

  
  

Wandler mit geschaltetem Kondensator

Neben Linearreglern und Schaltnetzteilen gibt es eine dritte Gruppe von Leistungswandlern: Schaltkondensatorwandler. Auch als Ladungspumpe bekannt. Sie verwenden Schalter und Kondensatoren, um Spannungen zu vervielfachen oder umzukehren. Ein großer Vorteil besteht darin, dass keine Induktivität erforderlich ist. Dieser Wandlertyp wird üblicherweise bei niedrigen Leistungen unter 5 W eingesetzt. Die jüngsten erheblichen Fortschritte ermöglichen jedoch leistungsstärkere Schaltkondensatorwandler. Abb. 8 zeigt den LTC7820 mit einem Wirkungsgrad von 98.5 % und einem 120-W-Design, das 48 V in 24 V umwandelt.

Abbildung 8. LTC7820 Hochleistungs-Ladepumpen-DC/DC-Controller mit festem Verhältnis.

Digitales Netzteil

Alle in diesem Dokument behandelten Netzteile können als analoge oder digitale Netzteile implementiert werden. Was genau ist ein digitales Netzteil? Die Stromversorgung muss immer über die analogen Leistungsstufen von Schaltern, Induktivitäten, Transformatoren und Kondensatoren erfolgen. Digitale Aspekte werden durch zwei digitale Bausteine ​​eingeleitet:

• Das erste ist die digitale Schnittstelle, über die die Elektronik mit der Stromversorgung kommunizieren kann. Verschiedene Parameter können sofort eingestellt werden, um die Stromversorgung für unterschiedliche Arbeitsbedingungen zu optimieren. Darüber hinaus kann das Netzteil auch mit dem Hauptprozessor kommunizieren und eine Warn- oder Störungsmeldung auslösen. Beispielsweise kann das System problemlos den Laststrom überwachen, den voreingestellten Schwellenwert überschreiten oder die Batterietemperatur zu hoch sein.
  

• Das zweite digitale Gebäudemodul verwendet eine digitale Schleife anstelle einer analogen Regelschleife. Das funktioniert gut, aber für die meisten Anwendungen ist es am besten, eine standardmäßige analoge Rückkopplungsschleife zu verwenden, die einen gewissen digitalen Einfluss auf einige Parameter hat, z. B. die sofortige Anpassung der Verstärkung des Fehlerverstärkers oder die dynamische Einstellung der Schleifenkompensationsparameter, um eine stabile, aber schnelle Regelung zu erreichen Rückkopplungsschleife.

Ein Beispiel für ein Gerät mit rein digitalem Regelkreis ist der ADP1046A von ADI. Ein Beispiel für einen durch digitalen Einfluss optimierten Abwärtsregler mit digitaler Schnittstelle und einem analogen Regelkreis ist der LTC3883.

EMI-Überlegungen

Elektromagnetische Störungen (EMI) waren schon immer ein Problem, das bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen berücksichtigt werden sollte. Der Grund dafür ist, dass das Schaltnetzteil in kurzer Zeit hohe Ströme schalten kann. Je schneller die Schaltgeschwindigkeit, desto besser ist die Gesamteffizienz des Systems. Eine schnellere Schaltgeschwindigkeit kann die Zeit verkürzen, in der der Schalter teilweise eingeschaltet wird. In diesem Teil der Einschaltzeit treten die meisten Schaltverluste auf. Abbildung 9 zeigt die Wellenform des Schaltnetzteils am Schaltknoten. Nehmen Sie als Beispiel den Buck-Regler. Eine hohe Spannung wird durch den Strom definiert, der durch den High-Side-Schalter fließt, während eine niedrige Spannung dadurch definiert wird, dass kein Strom durch den High-Side-Schalter fließt.

Abbildung 9. Schaltgeschwindigkeit und Schaltfrequenz des Schaltnetzteils.

Wie in Abb. zu sehen ist. Wie aus 9 hervorgeht, ist das vom Schaltnetzteil erzeugte Rauschen nicht nur auf die eingestellte Schaltfrequenz zurückzuführen, sondern auch auf die Schaltgeschwindigkeit, die viel höher als die Frequenz ist. Obwohl die Schaltfrequenz üblicherweise zwischen 500 kHz und 3 MHz liegt, kann die Schaltzeit mehrere Nanosekunden betragen. Bei einer Schaltzeit von 1 ns beträgt die entsprechende Frequenz im Spektrum 1 GHz. Zumindest diese beiden Frequenzen werden als elektromagnetische Strahlungsstörung und leitungsgebundene Strahlung betrachtet. Durch die Schwingung des Regelkreises oder die Wechselwirkung zwischen Netzteil und Filter können auch andere Frequenzen entstehen.

Es gibt zwei Gründe, EMI zu reduzieren. Der erste Grund besteht darin, die Funktion eines elektronischen Systems zu schützen, das von einer bestimmten Stromversorgung gespeist wird. Beispielsweise sollte der im Systemsignalpfad verwendete 16-Bit-ADC das Schaltrauschen der Stromversorgung nicht auffangen; Der zweite Grund besteht darin, einige von Regierungen auf der ganzen Welt formulierte EMI-Vorschriften einzuhalten, um die zuverlässigen Funktionen verschiedener elektronischer Systeme gleichzeitig zu schützen.

Es gibt zwei Formen von EMI: gestrahlte EMI und leitungsgebundene EMI. Der wirksame Weg, abgestrahlte EMI zu reduzieren, besteht darin, das PCB-Layout zu optimieren und Technologien wie Silent Switcher® von ADI einzusetzen. Solche Technologie. Natürlich ist es auch effektiv, die Schaltung in einer abgeschirmten Metallbox unterzubringen. Dies ist jedoch möglicherweise nicht praktikabel und in den meisten Fällen kostspielig.

Leitungsgebundene elektromagnetische Störungen werden normalerweise durch zusätzliche Filterung gedämpft. Als nächstes wird eine zusätzliche Filterung zur Reduzierung der geleiteten Strahlung besprochen.

Wellen filtern

Der RC-Filter ist ein einfacher Tiefpassfilter. Bei der Stromversorgungskonstruktion handelt es sich jedoch bei jedem Filter um einen LC-Filter. Im Allgemeinen reicht es aus, einige Induktivitäten in Reihe zu schalten, da diese zusammen mit der Eingangs- oder Ausgangskapazität des Schaltnetzteils einen LC- oder CLC-Filter bilden. Manchmal werden nur Kondensatoren als Filter verwendet, aber angesichts der parasitären Induktivität von Stromleitungen oder Leiterbahnen kombinieren wir Kondensatoren, um einen LC-Filter zu bilden. Der Induktor l kann ein Induktor mit einer Spule oder einer Ferritperle sein. Der Zweck des LC-Filters ist eigentlich ein Tiefpasseffekt, der Gleichstrom durchlässt und hochfrequente Störungen weitgehend dämpft. Da der LC-Filter zweipolig ist, kann er eine Hochfrequenzdämpfung von 40 dB/Oktave erreichen. Der Filter kann einen relativ starken Frequenzabfall erreichen. Das Entwerfen von Filtern ist nicht einfach. Da jedoch parasitäre Komponenten des Schaltkreises (z. B. die Leiterbahninduktivität) Auswirkungen haben, müssen bei der Modellierung des Filters auch die wichtigsten parasitären Effekte modelliert werden. Dadurch ist der analoge Filter recht zeitaufwändig. Viele Designer mit Erfahrung im Filterdesign wissen, welche Filter gut funktionieren, und können einen Filter iterativ optimieren, um ein neues Design zu erhalten.

Beim Entwurf aller Filter ist es notwendig, nicht nur das Kleinsignalverhalten, wie beispielsweise die Übertragungsfunktion des Filters im Porter-Diagramm, sondern auch die Großsignalwirkung zu berücksichtigen. In jedem LC-Filter erfolgt die Stromversorgung durch die Induktivität. Wenn die Stromversorgung am Ausgang nicht mehr benötigt wird, muss die im Induktor gespeicherte elektrische Energie aufgrund eines plötzlichen Lastübergangs irgendwo abgegeben werden. Dadurch wird der Kondensator des Filters aufgeladen. Wenn der Filter nicht für diesen schlimmsten Fall ausgelegt ist, kann es durch die gespeicherte elektrische Energie zu Spannungsüberschreitungen kommen, die den Stromkreis beschädigen können.

Schließlich hat der Filter eine bestimmte Impedanz. Diese Impedanz interagiert mit der Impedanz des an den Filter angeschlossenen Leistungswandlers. Diese Wechselwirkung kann zu Instabilität und Schwingungen führen. Simulationstools für analoge Geräte wie LTspice und LTpowerCAD sind hilfreich, um all diese Fragen zu beantworten und hervorragende Filter zu entwerfen. Abbildung 10 zeigt die grafische Benutzeroberfläche von Filterdesignern in der LTpowerCAD-Designumgebung. Die Verwendung dieses Tools zum Entwerfen von Filtern ist sehr einfach.

Abbildung 10. Entwurf des Eingangsfilters des Abwärtsreglers mit LTpowerCAD.

Silent Switcher

Elektromagnetische Störungen sind schwer zu stoppen. Es ist eine spezielle Abschirmung aus einem bestimmten Metallmaterial erforderlich. Der Aufwand dafür ist sehr hoch. Seit langem suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, die durch Schaltnetzteile verursachte elektromagnetische Strahlungsstörung zu reduzieren. Vor einigen Jahren gelang der Silent Switcher-Technologie ein großer Durchbruch. Durch die Reduzierung der parasitären Induktivität im Wärmekreis des Schaltnetzteils und die Aufteilung des Wärmekreises in zwei Kreise, die hochsymmetrisch angeordnet sind, heben sich die elektromagnetischen Strahlungsstörungen weitgehend gegenseitig auf. Heutzutage verursachen viele Silent Switcher-Geräte eine wesentlich geringere elektromagnetische Strahlungsstörung als herkömmliche Produkte. Durch die Reduzierung elektromagnetischer Strahlungsstörungen kann die Schaltgeschwindigkeit ohne ernsthafte elektromagnetische Störungen verbessert werden. Durch Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit können die Schaltverluste verringert und somit die Schaltfrequenz erhöht werden. Ein Beispiel für diese Innovation ist der LTC3310S, der über eine Schaltfrequenz von 5 MHz verfügt und durch den Einsatz kostengünstiger externer Komponenten ein sehr kompaktes Design erreicht.

Energiemanagement ist notwendig, kann aber auch Spaß machen.

In diesem Artikel diskutieren wir viele Aspekte des Netzteildesigns, einschließlich verschiedener Netzteiltopologien und ihrer Vor- und Nachteile. Diese Informationen sind für Energieingenieure sehr grundlegend, für Experten und Laien ist es jedoch hilfreich, im Designprozess Softwaretools wie LTpowerCAD und LTspice zu verwenden. Mit diesen Werkzeugen kann der Stromrichter in kurzer Zeit entworfen und optimiert werden.

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