Bei der Auswahl eines geeigneten Filters muss man einen idealen Ausgleich zwischen verschiedenen, wichtigen Faktoren finden.

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Optimierung von High-Power-DC/DC-Konvertern Die richtige Mischung finden

11.02.2019

Der Einsatz von passenden Filtern am Ein- und Ausgang kann die Effizienz von DC/DC-Schaltreglern erhöhen und die Einhaltung von EMV-Richtlinien erleichtern. Dabei ist die Auswahl eines geeigneten Filters immer ein schwer zu findender Kompromiss zwischen Effizienz, Baugröße, Dämpfung, Kosten und eigentlicher Leistungsstufe.

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Bei DC/DC-Schaltreglern mit relativ hohen Ein- und Ausgangsströmen ist unter anderem die Wahl der passenden Kondensatorentechnologie, Speicherinduktivitäten, Schaltfrequenz und Halbleiter entscheidend für den resultierenden Wirkungsgrad. Ein Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad ist aber nur dann marktreif, wenn dieser auch alle notwendigen EMV-Richtlinien einhält, beziehungsweise das Endprodukt in welchem dieser eingesetzt wird. Hierzu müssen am Ein- und Ausgang oftmals noch passende Filter eingeplant werden, um die Störaussendung zu reduzieren.

Bei hohen Eingangs- und Ausgangsströmen ist es jedoch schwierig, einen Kompromiss zwischen Effizienz, Baugröße, Dämpfung und Kosten der Filter sowie der eigentlichen Leistungsstufe zu finden. Am Beispiel eines Buck-Boost-DC/DC-Designs mit 100 W zeigt sich anschaulich, welche Überlegungen, Layout und Bauelemente benötigt werden, um einen solchen Kompromiss zu finden.

1. Aufgabenstellung

Der zu entwickelnde Buck-Boost-Konverter soll folgende Anforderungen erfüllen:

  • Bis 100 W Pout bei 18 Vout/ Vin 14–24 Vdc --> Iin max = 7 A --> Iout max 5,55 A

  • Wirkungsgrad größer 95 Prozent bei 100 W Ausgangsleistung

  • Einhaltung der Emissionen (geleitet und gestrahlt) der Klasse B nach CISPR32

  • Geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung (kleiner als 20 mVpp)

  • Keine Schirmung möglich

  • Lange Kabel am Eingang sowie am Ausgang (je 1 m)

  • Möglichst kompakt

  • Möglichst kosteneffizient

Aufgrund dieser strikten Anforderungen ist es unerlässlich, ein sehr niederinduktives, kompaktes Layout und passend zum Wandler abgestimmte Filter zu erstellen. Betrachtet man die EMV, sind die Kabel am Ein- und Ausgang die dominanten Antennen im Frequenzbereich bis 1 GHz.

Da ein moderner 4-Switch-Buck-Boost-Konverter je nach Betriebsart am Ein- und Ausgang hochfrequente Stromschleifen aufweist, müssen sowohl Ein-, als auch Ausgang gefiltert werden. Dadurch soll verhindert werden, dass die hochfrequenten Störungen, welche durch schnelle Schaltvorgänge der MOSFETs entstehen, über die Kabel geleitet und ebenfalls abgestrahlt werden können.

Der Schaltregler LT3790 von Analog Devices verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 60 VDC, eine einstellbare Schaltfrequenz und kann vier externe MOSFETs ansteuern. Dadurch ist eine hohe Flexibilität im Design gewährleistet.

2. Design und Messungen

Eckdaten des Buck-Boost-Designs:

  • Doppelseitig bestückte Leiterplatte mit sechs Lagen

  • Schaltfrequenz von 400 kHz

  • Stromrippel in der Drossel circa 30 Prozent des Nennstroms

  • Kompakte 60-V-MOSFETS mit geringem Rdson, Rth und Package ESL

  • Gate-Vorwiderstände mit 1 Ω

2.1 Auswahl der Induktivität

Mithilfe der Simulationssoftware Redexpert lässt sich schnell, einfach und präzise die passende Drossel selektieren. Dazu müssen in diesem Fall einmal die Betriebsparameter (Vin, fsw, Iout, Vout, ΔI) für den Buck-, und ein zweites Mal für den Boost-Betrieb eingeben. Im Buck-Betrieb ergeben sich eine größere Induktivität und ein kleinerer maximaler Spitzenstrom (7,52 μH/5,83 A). Im Boost-Betrieb ergeben sich eine kleinere Induktivität, aber dafür ist der maximale Spitzenstrom größer (4,09 μH/7,04 A).

Ein weiterer Vorteil der Spulenauswahl mit Redexpert ist, dass verschiedene Bauteile nicht nur anhand ihrer offensichtlichen Daten wie der Baugröße und dem Nennstrom vergleichbar sind, sondern auch noch anhand der komplexen AC- und DC-Verluste sowie der resultierenden Bauteilerwärmung. In diesem Fall fiel die Wahl auf eine geschirmte Spule der WE-XHMI-Serie mit 6,8 μH und 15 A Nennstrom. Aufgrund der modernen Fertigungstechnologie hat diese einen sehr geringen RDC und äußerst kompakte Maße von nur 15 mm x 15 mm x 10 mm. Die Kernmaterial-Mischung erlaubt zudem ein weiches und von der Temperatur unabhängiges Sättingungsverhalten.

2.2 Auswahl der Eingangskondensatoren

Aufgrund der hohen Pulsströme durch die Abblockkondensatoren und der geforderten niedrigen Restwelligkeit ist die Kombination aus Aluminium-Polymer- plus Keramikkondensatoren die beste Wahl. Durch die Festlegung des maximal erlaubten Spannungsrippels am Ein- und Ausgang lassen sich mithilfe der folgenden Formeln die benötigten Kapazitäten berechnen.

Gewählt: 6 x 4,7 μF / 50V / X7R = 28,2 μF (WCAP-CSGP 885012209048)

Mithilfe von Redexpert lässt sich einfach und schnell das DC-Bias der MLCCs bestimmen, wodurch sich ein deutlich realitätsnäherer Wert ergibt. Ergebnis: Es ist mit einer 20 Prozent geringeren Kapazität bei 24 V Eingangsspannung zu rechnen. Somit ergibt sich eine effektive Kapazität von nur noch 23 μF, was aber immer noch ausreichend ist. Parallel zu den Keramikkondensatoren wird noch ein WCAP-PSLC-Aluminium-Polymer-Kondensator (68 μF / 35 V ) mit einem in Reihe geschalteten SMD-Widerstand mit 0,22 Ω verwendet.

Das dient zur Einhaltung der Stabilität in Bezug auf die negative Eingangsimpedanz des Spannungswandlers in Kombination mit dem Eingangsfilter. Da dieser Kondensator ebenfalls einen gewissen Anteil der hohen Pulsströme sieht, ist in diesem Fall ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator weniger gut geeignet. Dieser würde sich, bedingt durch den höheren ESR, sehr stark erwärmen.

2.3 Auswahl der Ausgangskondensatoren

Analog dazu lässt sich auch die Ausgangsspannung unter Berücksichtigung des 15 Prozent DC-Bias berechnen:

Gewählt: 6 x 4,7 μF / 50 V / X7R = 28,2 μF –15 Prozent DC-Bias = 24 μF (WCAP-CSGP 885012209048)

Plus: 1 x Alu Polymer für eine ausreichend schnelle Reaktionsfähigkeit bei aufkommenden Transienten.

2.4 Bauelemente für Ein- und Ausgangsfilter

Die Bauelemente für die Filter müssen so ausgewählt werden, dass eine breitbandige Entstörung von 150 kHz bis 300 MHz erreicht werden kann. Auf diese Weise sollen die zu erwartenden leitungsgeführten und gestrahlten EMV-Emissionen ausreichend gedämpft werden. Der Filteraufwand kann jedoch reduziert werden, wenn am Ein- beziehungsweise Ausgang keine, oder auch kürzere Kabel verwendet werden.

2.5 EMV-Messungen ohne Filter

Um den meisten Einsatzgebieten gerecht zu werden, sollte der Konverter in der Störaussendung die Grenzen der Klasse B (Haushalt) einhalten. Das gilt sowohl im geleiteten (150 kHz bis 30 MHz) als auch im gestrahlten Bereich (30 MHz bis 1 GHz). Neben der Einfügedämpfung ist es bei den hierfür benötigten Strömen besonders wichtig, dass die induktiven Bauelemente einen möglichst geringen RDC besitzen. Dadurch wird die Effizienz sowie die Eigenerwärmung in einem akzeptablen Bereich gehalten.

Ein geringer R DC bedeutet oftmals allerdings leider auch, eine größere Bauform. Deshalb ist es auch in diesem Fall besonders wichtig, auf moderne Bauelemente zurück zu greifen, welche einen hervorragen Kompromiss zwischen RDC, Impedanz und Baugröße bieten.

Besonders geeignet ist in diesem Fall sowohl die Serie WE-MPSB, als auch ebenfalls eine kompakte Bauform der Serie WE-XHMI. Bei den kapazitiven Bauelementen für die Filter über einem Kapazitätswert von 10 μF kann man günstige Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren, wie zum Beispiel die WCAP-ASLI, verwenden. Anders als bei den oben bereits erwähnten Abblockkondensatoren, treten bei ihnen keine hohen Rippelströme auf. Dafür sorgt die Filterinduktivität. Sie blockt diese Ströme effektiv ab. In einigen Fällen müssen sie auch gar nicht für hohe Rippelströme geeignet sein. Aus diesem Grund ist ein größerer ESR an dieser Stelle unproblematisch. Dieser hilft sogar die Filtergüte gering zu halten und beugt deshalb weiteren unerwünschten Oszillationen vor.

Durch die zusätzlichen Verluste aufgrund der Filter ergeben sich durch die Ohm´schen Verluste der Induktivitäten folgende Parameter:

  • Verluste am Ausgangsfilter: I2 x RDC = 5,5 A2 x 30 mΩ = 907 mW

  • Verluste am Eingangsfilter: I2 x RDC = 7 A2 x 18,4 mΩ = 902 mW

Die Auswahlkriterien für die stromkompensierten Drosseln waren:

  • Möglichst starke Gleichtaktimpedanz über ein sehr breites Frequenzspektrum. In diesem Fall waren das 150 kHz bis 300 MHz.

  • Sektionelle Wickeltechnik für möglichst viel Streuinduktivität (Gegentakt Entstörung)

  • Geringer RDC

  • Kompakte Bauform und SMT

2.6 Messung der Temperatur und Effizienz mit Filter bei 100 W POut

Gemessene Effizienz bei 100 W P Out:

  • Buck-Mode 96,5 Prozent

  • Boost-Mode 95,6 Prozent

Die maximale Bauteiltemperatur liegt unter 64 °C, was genug Reserve für höhere Umgebungstemperaturen sowie geringen Stress für die Bauelemente bedeutet. Der Wirkungsgrad bewegt sich ebenfalls auf einem sehr hohen Niveau, vor allem wenn man bedenkt, dass hierbei alle Bauelemente für die Filter bereits berücksichtigt sind.

3. Zusammenfassung

Trotz eines sehr sorgfältig ausgeführten Layouts sowie passender aktiver und passiver Bauelemente lässt sich mit den strengen Vorgaben (lange Leitungen, fehlende Schirmung ) kein Klasse-B-konformer High-Power-DC/DC-Konverter ohne weitere, zusätzliche Filter realisieren. Da das allerdings zu erwarten war, konnte man schon im Vorfeld passende Filter auslegen.

Somit ist ein flexibel einsetzbarer, hoch effizienter und Klasse-B-konformer Buck-Boost-Konverter mit 100 W entwickelt worden. Um eine noch kompaktere Leiterplatte zu erstellen, könnte man zum Beispiel die beiden Filterbänke um 90 Grad gedreht oder auch auf der Leiterplattenunterseite anordnen. Design- und Simulationssoftware wie Redexpert und LTSpice helfen, schnell und kostengünstig das jeweilige Ziel zu erreichen.

Bildergalerie

  • Prinzip Schaltbild der hochfrequenten ΔIt-Schleifen und der kritischen ΔUt-Schaltknoten je nach Betriebsmodus des DC/DC-Schaltreglers

    Bild: Würth Elektronik eiSos

  • Messung der leitungsgebundenen Störungen ohne Filter am Eingang: Wie zu erwarten, lassen sich die Grenzwerte der Klasse B, trotz gutem Layout, nicht einhalten.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

  • Messung der gestrahlten Störaussendung mit den oben genannten Filtern am Ein- und Ausgang: Es kann über den gesamten Messbereich genug Abstand zum Grenzwert (horizontal und vertikal) eingehalten werden.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

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