Mythos entlarvt: Rauschen von Hochstrom-Schaltregler-ICs kann nahe an LDO-Werte heranreichen

Selbst in der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Technologie gibt es einige seit langem bestehende Klischees einer „konventionellen Weisheit“ und Annahmen, die sich trotz dramatischer Fortschritte dem Wandel widersetzen. Gelegentlich höre ich immer noch, dass man die Lebensdauer eines Akkus verlängern kann, indem man ihn vollständig entleert und dann wieder auflädt. Das mag zwar für die klassische Nickel-Cadmium-Chemie (NiCad) zutreffen, ist aber absolut falsch und für die Lebensdauer der heutigen Lithiumzellen sogar schädlich.

Die gleichen Missverständnisse gelten für DC/DC-Abwärtsschaltregler (Buck), insbesondere für solche, die für den Betrieb mit höheren Eingangsspannungen (mehrere zehn Volt) ausgelegt sind und höhere Ströme (bis zu etwa 10 Ampere (A)) liefern. Die gängige Meinung ist, dass Regler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDOs) mit ihrer linearen, nicht geschalteten Topologie nahezu rauschfrei, aber äußerst ineffizient sind. Im Gegensatz dazu sind Schaltregler vergleichsweise verrauscht, aber sehr effizient.

Die Bedenken gegen Schaltregler gehen über das vermeintliche Rauschen hinaus. Sie sind zwar effizient (in der Regel besser als 85 %, wenn sie an ihrem optimalen Punkt betrieben werden), doch werden mit ihnen häufig drei negative Aspekte verbunden:

1: Sie sind elektrisch verrauscht, und dieses Rauschen tritt überwiegend, aber nicht ausschließlich, bei ihrer Schaltfrequenz und deren Oberwellen auf.

2: Sie haben ein schlechtes Einschwingverhalten und sind anfällig für Instabilität und Schwingungen, es sei denn, ihr Regelverhalten wird sorgfältig auf die Anwendung abgestimmt.

3: Die Hochleistungsversionen benötigen externe MOSFETs und arbeiten als Schaltregler anstelle von Reglern mit internen MOSFETs und benötigen daher mehr Bauteile und Platinenplatz.

Jüngste Fortschritte und innovative Topologien haben die Situation jedoch verändert, wie die drei ähnlichen monolithischen synchronen 65V-Silent-Switcher-Abwärtsregler LT8645S, LT8646S und LT8645S-2 von Analog Devices zeigen, die jeweils 8 A ausgeben können (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Blockdiagramm der internen Funktionen der Silent-Switcher-Abwärtsregler zeigt deren Komplexität, kann aber nicht die Details der Techniken zeigen, die zur Erzielung erheblicher Leistungsverbesserungen eingesetzt werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Die kleinen, aber deutlichen Unterschiede zwischen den drei Komponenten ermöglichen es, die spezifische Konfiguration zu wählen, die am besten zu einer Anwendung passt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die drei Schaltregler sind sehr ähnlich, weisen jedoch einige feine Konfigurationsunterschiede auf, die für bestimmte Anwendungen entscheidend sein können. (Bildquelle: Analog Devices)

Betrachten wir zunächst das Rauschen, da dies das am häufigsten genannte Problem im Zusammenhang mit Schaltreglern ist. Es besteht kein Zweifel, dass ein guter LDO den Standard für eine rauscharme Ausgabe setzt, aber diese fortschrittlichen Schaltregler kommen dem erstaunlich nahe.

Warum ist Rauschen wichtig?

Das Ausgangsrauschen von Reglern beeinträchtigt die Systemleistung in mehrfacher Hinsicht:

• Es kann die gleichbleibende und zuverlässige Leistung der Last-ICs beeinträchtigen, insbesondere bei Schaltungen, die mit niedrigeren Schienenspannungen betrieben werden, bei denen die Versorgungsspanne relativ gering ist.
• Sie beeinträchtigt die letztlich erreichbare Leistung, da sie die Präzision des analogen Signals verfälscht, z. B. bei Sensor-Frontends.
• Das Rauschen der Ausgangsschiene kann eine Quelle für abgestrahlte und leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMI) sein. Das abgestrahlte Rauschen ist besonders besorgniserregend, da es dazu führen kann, dass das Endprodukt eine oder mehrere der vielen anwendungsspezifischen Anforderungen, wie z. B. den weit verbreiteten EMI-Test CISPR 25, nicht erfüllt.

Kein Grund zur Sorge

Die Silent-Switcher-Architektur von Analog Devices ist so konzipiert, dass sie ein geringes Rauschen und damit eine hervorragende EMI-Leistung gewährleistet. Da es sich um monolithische Bauelemente handelt, ist diese Performance unempfindlich gegenüber dem Leiterplattenlayout, so dass die durch Bauteile und Layout verursachte EMI kein Problem mehr darstellt.

Wie erreichen die Silent -Switcher-Regler solche Ergebnisse? Die Entwickler haben alle Arten von Takt- und anderen Rauschquellen untersucht und dann Wege gefunden, diese zu beseitigen. Zwei wichtige Rauschquellen sind die so genannte „heiße Schleife“, die der Schaltarchitektur innewohnt, sowie Leiterbahninduktivität und Klingeln.

Um heißen Schleifen entgegenzuwirken, unterteilt das Silent-Switcher-Design die heiße Schleife in zwei gegenläufige Schleifen, so dass sich deren Stromflüsse gegenseitig aufheben. Durch die Integration von Bypass-Kondensatoren auf dem Chip werden Probleme im Zusammenhang mit der Leiterbahninduktivität und dem Klingeln auf der Leiterplatte beseitigt und gleichzeitig die Leistung durch die Eliminierung der Variabilität externer Komponenten und ihrer Platzierung sichergestellt. Das Ergebnis ist eine Abstrahlungsleistung, die die Grenzwerte von CISPR 25 problemlos einhält (Abbildung 3).

Abbildung 3: Aufgrund von Verbesserungen wie der Beseitigung des Problems heißer Schleifen und der Hinzufügung von integrierten Bypass-Kondensatoren liegt die elektromagnetische Strahlung der Silent-Switcher-Regler weit unter den gesetzlichen Höchstwerten. (Bildquelle: Analog Devices)

Es ist erwähnenswert, dass das leitungsgebundene Rauschen der Komponenten ebenfalls gering ist, aber weniger strenge Grenzwerte hat. Außerdem ist es einfacher, leitungsgebundenes Rauschen mit Ferritperlen zu reduzieren, während abgestrahltes Rauschen schwieriger zu dämpfen ist und sogar eine teure und komplexe Abschirmung erfordern kann.

Darüber hinaus führt das Design dieser Schaltregler auch zu einem verbesserten Einschwingverhalten. Sie sorgen für eine klare, straffe Regelung - trotz Lastverschiebungen - und erhalten die Stabilität des Regelkreises unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen (Abbildung 4). Für zusätzliche Flexibilität bietet der LT8646S die Möglichkeit einer externen Widerstandskondensator-Kompensation (RC), um das Einschwingverhalten zu optimieren.

Abbildung 4: Das Design der Silent-Switcher-Regler sorgt für ein schnelles, sauberes und konsistentes Einschwingverhalten, was zu einer soliden, stabilen DC-Ausgangsschiene führt - trotz Laständerungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Schließlich bringt die Integration von Hochleistungs-MOSFETs mehrere Vorteile mit sich:

• Geringere Rauschemissionen durch den Wegfall der Leiterbahnen für die MOSFETs.
• Konsistente Leistung von der Eingangsversorgung bis zur Ausgangsschiene, vollständig im Datenblatt spezifiziert.
• Geringerer Platzbedarf: Diese 8A-Regler sind in einem 6 mm × 4 mm großen LQFN-Gehäuse untergebracht und benötigen nur wenige kleine passive Komponenten für eine komplette Schaltung (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein komplettes Versorgungsregler-Subsystem, das auf dem LT8645S-2 (oder anderen Bauteilen der Familie) basiert, ist kompakt und hat eine kurze Stückliste (BOM). (Bildquelle: Analog Devices)

Eine letzte und wichtige Frage: Gibt es bei der Verwendung dieser Hochspannungs- und Hochstromregler der Silent-Switcher-Familie einen Kompromiss oder einen Nachteil bei der Effizienz? Schließlich ist ein hoher Wirkungsgrad bei weitem der Hauptgrund dafür, dass ein Schaltregler anstelle einer linearen Stromversorgung verwendet wird.

Die Antwort ist einfach: Der Wirkungsgrad dieser Komponenten liegt in der gleichen Größenordnung wie der von Reglern mit stärkerem Rauschen (Abbildung 6). Er reicht von etwa 90 % bis 96 % von 1 A bis maximal 8 A, mit einem optimalem Bereich zwischen 2 und 4 A.

Abbildung 6: Der Wirkungsgrad der 8A-Silent-Switcher-Regler liegt bei etwa 95 %, außer am sehr niedrigen und hohen Ende des Stromausgangswertes. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Schaltregler bieten den sehr wichtigen Vorteil eines hohen Wirkungsgrads, können aber auch eine Quelle von Störsignalen sein, die für die Schaltung, das System und die behördlichen Anforderungen zu hoch sind. Die innovative Architektur der Silent-Switcher-DC/DC-Regler von Analog Devices überwindet diese und andere Unzulänglichkeiten herkömmlicher Schaltregler, ohne die gewünschten Leistungsmerkmale zu beeinträchtigen.

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Analog Devices, „Monolithische 65V/8A-Abwärtsregler mit schnellem Einschwingverhalten und extrem niedrigen EMI-Emissionen“

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, „Was ist eigentlich eine heiße Schleife?“

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html