Leistungsdesign: EMV-Design in Hochleistungs-Gleichstrom

Die Wahl der richtigen Kondensatortechnologie, Leistungsinduktivitäten, Schaltfrequenz und Halbleiter ist entscheidend für die Effizienz eines DC-DC-Schaltreglers, rät Andreas Nadler.

Durch die richtige Auswahl stellen Sie sicher, dass Ihr Controller marktreif ist, da er effizient ist und alle erforderlichen EMV-Richtlinien erfüllt.

Bei DC-DC-Wandlern mit relativ hohen Ein- und Ausgängen müssen häufig Filter am Ein- und Ausgang eingesetzt werden, um die Störaussendung zu reduzieren. Es kann jedoch schwierig sein, einen Kompromiss zwischen Effizienz, Größe, Dämpfung und Kosten der Filter und der tatsächlichen Leistungsstufe zu finden – beispielsweise zeigt die Verwendung eines 100-W-Buck-Boost-DC-DC-Designs, welche Überlegungen hinsichtlich des Layouts angestellt werden sollten und Komponentenauswahl.

Ein typisches Projekt wäre die Entwicklung eines Buck-Boost-Wandlers mit 100 W Pout bei 18 Vout/Vin 14-24 Vdc mit 7 A Iin (max.) und Iout 5,55 A (max.) und einem Wirkungsgrad von >95 % bei 100 W Ausgangsleistung.

Es ist außerdem erforderlich, Emissionen der Klasse B (leitungsgebunden und abgestrahlt) gemäß CISPR32 einzuhalten und eine geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung (weniger als 20 mVpp) zu haben. Eine Abschirmung ist nicht möglich und am Ein- und Ausgang sind lange Kabel (1 m) vorhanden. Zudem muss der Konverter kompakt und kostengünstig sein.

Aufgrund dieser strengen Anforderungen ist es unerlässlich, ein sehr induktives und kompaktes Layout mit zum Wandler passenden Filtern zu schaffen. EMV-technisch sind im Frequenzbereich bis 1GHz die Eingangs- und Ausgangskabel die dominierenden Antennen.

Je nach Betriebsmodus weist der Wandler am Ein- und Ausgang hochfrequente Stromschleifen auf (Abbildung 1), daher müssen beide gefiltert werden. Dadurch wird verhindert, dass hochfrequente Störungen durch schnelle Mosfet-Schaltungen über die Kabel abgestrahlt werden.

Dieses Anwendungsbeispiel bietet große Designfreiheit durch einen weiten Eingangsspannungsbereich von bis zu 60 VDC mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und der Möglichkeit, vier externe MOSFETs anzusteuern.

Das Design basiert auf einer doppelseitigen Leiterplatte mit sechs Schichten und einer Schaltfrequenz von 400 kHz. Die Stromwelligkeit an der Drossel sollte etwa 30 % des Nennstroms betragen. Die 60-V-Mosfets zeichnen sich durch einen niedrigen Durchgangswiderstand (RDS(on)) und einen geringen thermischen Widerstand (Rth) aus.

Über die Online-Designplattform Redexpert kann der Induktor ausgewählt werden. In diesem Beispiel müssen alle Betriebsparameter (Eingangsspannung Vin, Schaltfrequenz, Ausgangsstrom Iout, Ausgangsspannung Vout und der Rippelstrom) einmal für den Buck- und ein zweites Mal für den Boost-Betrieb eingegeben werden. Im Buck-Modus ist das Ergebnis eine höhere Induktivität und ein kleinerer maximaler Spitzenstrom (7,52 µH und 5,83 A). Der Boost-Modus führt zu einer kleineren Induktivität, aber einem größeren maximalen Spitzenstrom (4,09 µH und 7,04 A).

In diesem Beispiel wurde eine geschirmte Spule mit 6,8 µH und einer Nennleistung von 15 A aus der WE-XHMI-Serie ausgewählt. Das kompakte Gerät misst 15x15x10mm und hat einen niedrigen RDC. Sein Kernmaterial ermöglicht ein weiches und temperaturunabhängiges Sättigungsverhalten.

Aufgrund der hohen Impulsströme durch die Blockkondensatoren und der geringen Welligkeit wurde für dieses Design eine Kombination aus Aluminium-Polymer- und Keramikkondensatoren als beste Wahl ausgewählt. Durch Ermittlung der maximal zulässigen Spannungswelligkeit am Ein- und Ausgang lassen sich die erforderlichen Kapazitäten wie folgt berechnen:

Das Online-Tool half dabei, die Gleichstromvorspannung der Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) zu bestimmen, was zu einem praktischeren Wert führte. Es ist mit einer um 20 % geringeren Kapazität bei 24 V Eingangsspannung zu rechnen. Daraus ergibt sich eine effektive Kapazität von nur 23µF, was immer noch ausreichend ist.

Parallel zu den Keramikkondensatoren ist ein 68µF/35V-Kondensator (in diesem Fall der WCAP-PSLC-Aluminium-Polymer-Kondensator) mit einem 0,22Ω SMD-Widerstand in Reihe geschaltet. Dies dient dazu, in Kombination mit dem Eingangsfilter die Stabilität gegenüber der negativen Eingangsimpedanz des Spannungswandlers aufrechtzuerhalten.

Da bei diesem Kondensator auch hohe Impulsströme auftreten, ist ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator weniger geeignet, da er sich aufgrund des höheren ESR schnell erhitzen würde. Ausgangskondensatoren werden auf die gleiche Weise ausgewählt.

Der WCAP-PSLC 220µF/25V bietet auch eine ausreichend schnelle Reaktionsfähigkeit bei Transienten.

Auch das Layout der Leiterplatte muss berücksichtigt werden. Beispielsweise sollten die Eingangs- und Ausgangsschleifen, die einen hohen ΔI/Δt-Wert verursachen, kompakt bleiben, indem die blockierenden Keramikkondensatoren nahe beieinander angeordnet werden. Der Bootstrap-Schaltkreis sollte kompakt sein und sich in der Nähe des Schaltregler-ICs befinden.

Um die interne Stromversorgung des Schaltreglers zu entkoppeln, ist ein Breitband-Pi-Filter erforderlich. Es wird außerdem empfohlen, so viele Durchkontaktierungen wie möglich zu verwenden, um eine Verbindung mit niedriger Induktivität und niedriger Impedanz zu den internen Leistungs-GND-Schichten und der Unterseite der Platine herzustellen.

Während große Kupferflächen hervorragende Kühlkörper und einen niedrigen RDC bieten, dürfen sie nicht zu groß sein, um kapazitive und induktive Kopplungen zu benachbarten Schaltkreisen zu vermeiden.

Um den meisten Anwendungen gerecht zu werden, sollte der Konverter hinsichtlich seiner Störemissionen sowohl im leitungsgebundenen (150 kHz bis 30 MHz) als auch im abgestrahlten (30 MHz bis 1 GHz) Bereich die Grenzwerte der Klasse B (Haushalt) einhalten.

Neben der Einfügungsdämpfung ist es bei den erforderlichen hohen Strömen wichtig, dass induktive Komponenten einen möglichst geringen RDC aufweisen, um den Wirkungsgrad und die Wärmeentwicklung in einem akzeptablen Bereich zu halten.

Leider bedeutet ein niedriger RDC auch eine größere Bauform. Daher ist es besonders wichtig, Komponenten zu verwenden, die einen guten Kompromiss zwischen RDC, Impedanz und Größe bieten.

Für kapazitive Filterkomponenten über 10µF können kostengünstige Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Es gibt keine hohen Welligkeitsströme, da die Filterinduktivität diese Ströme effektiv blockiert. Daher stellt ein größerer ESR kein Problem dar, was zu einer geringeren Filterqualität führt, die unerwünschte Resonanzen verhindert. Die zusätzlichen Verluste durch die Filter sind auf die ohmschen Verluste der Induktivitäten zurückzuführen.

Das entscheidende Auswahlkriterium für Filterkomponenten ist, dass sie eine breitbandige Störunterdrückung von 150 kHz bis 300 MHz für leitungsgebundene und abgestrahlte EMV erreichen. Der Filteraufwand kann reduziert werden, wenn am Ein- oder Ausgang kürzere oder keine Kabel verwendet werden. Abbildung 2 zeigt die Wirkbereiche der einzelnen Filterkomponenten im jeweiligen Frequenzbereich.

Die mit einer Wärmebildkamera gemessene maximale Bauteiltemperatur liegt unter 64 °C, was einen guten Sicherheitsspielraum für höhere Umgebungstemperaturen sowie eine geringe Belastung der Bauteile bedeutet. Auch der Wirkungsgrad liegt auf einem sehr hohen Niveau (Buck-Modus – 96,5 %; Boost-Modus – 95,6 %), insbesondere unter Berücksichtigung aller Komponenten für die Filter.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die verbesserten Messergebnisse der Schaltung mit eingesetzten Filtern. Abbildung 3 zeigt die Messung der abgestrahlten Störemission mit Filtern am Ein- und Ausgang. Über den Messbereich kann ausreichend Abstand zum Grenzwert (horizontal und vertikal) eingehalten werden.

Abbildung 4 zeigt die Messung der leitungsgebundenen Emissionen mit Filtern am Eingang. Über den gesamten Messbereich werden sowohl die Durchschnitts- als auch die Quasi-Peak-Grenzwerte eingehalten.

Sowohl die deutlichen Peaks im unteren Frequenzbereich der konduktiven Störstrahlung als auch die gesamte Messkurve der abgestrahlten Störemission weisen nun genügend Reserven unterhalb der geforderten Grenzwerte auf.

Trotz eines sehr sorgfältig ausgeführten Layouts sowie geeigneter aktiver und passiver Komponenten kann ohne zusätzliche Filter mit sehr strengen Spezifikationen, wie beispielsweise langen Leitungen oder fehlender Abschirmung, kein Klasse-B-konformer Hochleistungs-DC/DC-Wandler realisiert werden.

Die Design- und Simulationssoftware hat dies vorhergesehen und es war möglich, im Voraus geeignete Filter zu entwerfen. Das Ergebnis ist ein flexibler, hocheffizienter 100-W-Abwärts-/Aufwärtswandler der Klasse B. Um eine noch kompaktere Leiterplatte zu schaffen, könnten die beiden Filterbänke um 90° gedreht oder auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet werden.