Abwärtswandler Einfluss auf die Welligkeit der Ausgangsspannung

Autor / Redakteur: Dan Tooth und Jim Perkins * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Parasitäre Gegeninduktionen im Ausgangsfilter von Abwärtswandlern beeinflussen die Welligkeit der Ausgangsspannung. Messungen und Simulationen zeigen die Auswirkungen dieser Beeinflussungen.

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Bild 1: Simulation der Ausgangsspannungswelligkeit mit ihren einzelnen Bestandteilen.
Bild 1: Simulation der Ausgangsspannungswelligkeit mit ihren einzelnen Bestandteilen.
(Bild: Texas Instruments)

In diesem Beitrag wird anhand von Simulationen und Messungen gezeigt, wie sich die Gegeninduktion aus der Ausgangsinduktivität eines Gleichspannungswandlers in andere Induktivitäten, wie etwa die effektive Serieninduktivität (ESL) des Ausgangskondensators sowie die Induktivitäten der Leiterbahnen und des verwendeten Tastkopfs auswirken kann. Darüber hinaus wird untersucht, wie sich diese Welligkeit durch die Struktur und Ausrichtung der Induktivität, das Schaltungslayout und weitere passive Bauelemente minimieren lässt.

Bild 2: Ausgangsspannungswelligkeit bei normaler Anordnung der Induktivität (oben) und nach Drehung um 180° (unten).
Bild 2: Ausgangsspannungswelligkeit bei normaler Anordnung der Induktivität (oben) und nach Drehung um 180° (unten).
(Bild: Texas Instruments)

Bild 1 (oben) zeigt die typische Ausgangsspannungswelligkeit am Ausgangsfilter eines Abwärtswandlers. Die Welligkeit entsteht bei der Schaltfrequenz, wenn der Welligkeitsstrom der Induktivität (i) in den Ausgangskondensator (Cout) fließt. Die Welligkeit geht teils auf die Kapazität, teils auf die parasitäre Induktivität (Lp) und teils auf den parasitären Serienwiderstand (Resr) zurück.

Interessanterweise hat es große Auswirkungen auf die Form der Welligkeitsspannung, wenn man die Anschlüsse der Ausgangsinduktivität vertauscht, indem man sie um 180° gedreht einbaut (Bild 2).

Diese „Polarisierung“ der Induktivität kommt wie folgt zustande:

  • Bei einer Rollenkerninduktivität wird der Beginn der Wicklung durch die anschließend aufgewickelten Kupferdrahtlagen verdeckt. Gelegentlich kennzeichnen Hersteller den Beginn der Wicklung mit einer physischen Markierung, wie etwa einem Punkt oder einem Streifen. Verbindet man dieses Ende der Wicklung mit dem Schaltknoten des Gleichspannungswandlers, so ergibt sich ein gewisser Grad an Abschirmung für das elektrische Feld, was die effektive parasitäre Kapazität des durch steile Spannungsflanken (dV/dt) gekennzeichneten Schaltknotens verringert und dadurch auch die sehr hochfrequenten parasitären Störströme und Störemissionen eindämmt.
  • Wird die Ausgangsinduktivität mechanisch um 180° gedreht, ändert sich die Polarität der Wicklung, und der Punkt der Wicklung (gemäß der Konvention zur Darstellung gekoppelter Induktivitäten oder Transformatoren) wechselt zum entgegengesetzten Anschluss. Die Induktivität, die in der ursprünglichen Lage gegen den Uhrzeigersinn gewickelt war, ist also nach Drehung um 180° im Uhrzeigersinn gewickelt (und umgekehrt). Das magnetische Feld, das von der gedrehten Induktivität in die parasitären Induktivitäten am Ausgang gekoppelt wird, induziert damit eine Spannung umgekehrter Polarität, und um genau diesen Effekt geht es in diesem Beitrag.

Bild 3 verdeutlicht dieses Phänomen, das im induktiv bedingten Teil der Wellenform auftritt und durch die Kopplung des magnetischen Felds der Ausgangsinduktivität in andere Ausgangs-Bauelemente, wie etwa die parasitäre Induktivität der Ausgangskondensatoren (Lp) entsteht, wodurch eine zusätzliche Spannungswelligkeits-Komponente erzeugt wird. Bei dieser Kopplung handelt es sich um die Gegeninduktion M1. Wird die Spannungswelligkeit in größerer Entfernung zu Cout abgetastet, tritt mit M2 eine weitere durch Gegeninduktion erzeugte Spannung zutage. Bei M2 handelt es sich um die Kopplung von der Induktivität in die parasitäre Induktivität (Lp2) des Leiterbahnabschnitts zwischen Ausgangskondensator und Tastkopf. Wie stark die Kopplung ist, hängt von der Konstruktion der Ausgangsinduktivität, der Platzierung der Bauelemente und dem Verlauf der Leiterbahn ab, und nicht zuletzt auch von dem Punkt, an dem der Tastkopf angesetzt wird.

Verschiedene Bauformen von Rollenkerninduktivitäten für DC/DC-Wandler

Das magnetische Streufeld einer Induktivität wird stark von ihrer Konstruktion beeinflusst. Eine ungeschirmte, vertikal gewickelte Rollenkernspule ist die einfachste und kostengünstigste Bauform. Zu geringfügig höheren Kosten lassen sich die Wicklungen auf dem Rollenkern mit einem Harz umgeben, das den Streufluss eindämmt (teilgeschirmte Induktivität). Vollständig geschirmte Induktivitäten bestehen aus geformtem magnetischem Material, und die Wicklungen sind bis auf die herausgeführten Anschlüsse komplett umschlossen. Hier ist der Streufluss am geringsten.

Die parasitäre Kopplung in Filtern war schon früher Gegenstand von Untersuchungen, allerdings erfolgten diese Studien im Zusammenhang mit eingangsseitigen EMI-Filtern, deren Leistungsfähigkeit durch parasitäre Kopplungen beeinträchtigt werden kann. Der Eingangsfilter ist besonders anfällig für derartige Kopplungsphänomene, die die Leistungsfähigkeit eines Filters bei hohen Frequenzen beeinträchtigen können – also genau dort, wo von dem Filter eigentlich ein Maximum an Performance erwartet wird. Besonders deutlich werden die Auswirkungen parasitärer Kopplungen in Consumer-Anwendungen mit nicht oder nur teilweise geschirmten Induktivitäten.

Simulation

Mit der Simulationssoftware TINA-TI von Texas Instruments wurde die Ausgangsfilterstufe eines DC/DC-Abwärtswandlers simuliert, wie er auf dem Evaluation Board zum TPS562209 implementiert ist. In der Simulation wird ein einzelner Gegeninduktions-Faktor (k) empirisch mit ±0,04 angesetzt, um eine Kopplung von ±4% zu simulieren, wenn die Induktivität in normaler Lage bzw. um 180° gedreht eingebaut wird. Die parasitäre Induktivität des Ausgangskondensators zuzüglich der Leiterbahninduktivität am Ausgangskondensator (Lp) wird mit 1 nH modelliert. Die Gegeninduktion von Ldc nach Lp beträgt demnach M1 = 1,9 nH. Dementsprechend ist Lp2 = 1 nH und M2 = 1,9 nH. Diese Simulation kann die Wellenformen, die in der realen Schaltung zu beobachten sind, zwar nicht exakt reproduzieren, aber sie kommt der Realität recht nah.

Bild 3: Simulation mit k = –0,04.
Bild 3: Simulation mit k = –0,04.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 4: Simulation mit k = +0,04.
Bild 4: Simulation mit k = +0,04.
(Bild: Texas Instruments)

Die Bilder 3 und 4 zeigen simulierte Wellenformen für k = –0,04 und k = +0,04. Wie die Simulation offenbart, ist der induktive Teil der Welligkeit bei negativem k-Faktor invertiert. Hat k ein positives Vorzeichen, ist die Welligkeit ebenfalls positiv und außerdem größer, als sie es ohne Gegeninduktion wäre. Das Ausmaß der Welligkeit hängt ebenfalls davon ab, wo Vripple gemessen wird. Infolge von M2 ist die am Last-Anschluss J2 gemessene Welligkeit größer als das an Cout gemessene Signal Vripple-Cout. Die Simulation ist übrigens für teil- und ungeschirmte Induktivitäten gültig.

Testergebnisse und Diskussion

Am Oszilloskop wurde ein Koaxialkabel mit einem Abschlusswiderstand von 50 Ω verwendet, um Messungen am Evaluation Board zum TPS562209 vorzunehmen. Die Wellenform wurde AC-gekoppelt aufgenommen, um die Welligkeit der Ausgangsspannung untersuchen zu können.

Bild 5a: Ausgangsspannungswelligkeit an J2 mit der Induktivität ursprünglicher Lage.
Bild 5a: Ausgangsspannungswelligkeit an J2 mit der Induktivität ursprünglicher Lage.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 5b: Ausgangsspannungswelligkeit an J2 nach Drehung der Induktivität um 180°.
Bild 5b: Ausgangsspannungswelligkeit an J2 nach Drehung der Induktivität um 180°.
(Bild: Texas Instruments)

Die geschirmte Ferritinduktivität von 2,2 µH wurde durch eine teilgeschirmte Induktivität mit identischem Induktivitätswert ersetzt. Bild 5a gibt Auskunft über die Form der Welligkeit am Last-Anschluss J2. In Bild 5b ist die gleiche Kurve nach Drehung der Induktivität um 180° zu sehen. Wie man erkennt, entsprechen die aufgezeichneten Wellenformen den Voraussagen der Simulation.

Wird die ursprüngliche, geschirmte Ferritinduktivität oder eine vollständig geschirmte geformte Induktivität verwendet, liegen die gemessenen Wellenformen immer näher an den idealen Signalverläufen aus Bild 1, bei denen die Gegeninduktion minimal ist und ein Drehen der Induktivität um 180° nur minimale Auswirkungen auf den Kurvenverlauf hat. Wird die Entfernung zwischen der Induktivität und den Ausgangskondensatoren vergrößert, nimmt die gekoppelte Komponente der Welligkeitsspannung ab, während sie im Gegenteil zunimmt, wenn die Induktivität näher an die Ausgangskondensatoren verlagert wird.

Das Vergrößern der Distanz zwischen der Induktivität und den Ausgangskondensatoren ist eine effektive Möglichkeit, die parasitäre magnetische Kopplung zu reduzieren. Die gleiche Wirkung hätte ein Verringern der Radien der Spule und etwaiger, als Empfänger fungierender Schleifen, wie etwa der Ausgangskondensator-Schleife.

Ein Absenken des Welligkeitsstroms in der Induktivität durch Verwendung eines höheren Induktivitätswerts führt nicht unbedingt zu einer Abschwächung des Magnetfelds, da die größere Windungszahl und der größere Spulenradius die Abnahme des Welligkeitsstroms kompensieren.

Bild 6a: Mit der Induktivität auf der Unterseite der Leiterplatte; Ausgangsspannungswelligkeit an J2 bei ursprünglicher Einbaulage.
Bild 6a: Mit der Induktivität auf der Unterseite der Leiterplatte; Ausgangsspannungswelligkeit an J2 bei ursprünglicher Einbaulage.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 6b: Mit der Induktivität auf der Unterseite der Leiterplatte; Ausgangsspannungswelligkeit an J2 mit um 180° gedrehter Induktivität.
Bild 6b: Mit der Induktivität auf der Unterseite der Leiterplatte; Ausgangsspannungswelligkeit an J2 mit um 180° gedrehter Induktivität.
(Bild: Texas Instruments)

Wenn die Induktivität auf der Leiterplattenunterseite montiert wird, die Ausgangskondensatoren dagegen auf der Oberseite, so wird dies als Clamshell-Konstruktion bezeichnet. Diese Bauweise dämmt die parasitäre Gegeninduktion im Ausgangsfilter ein (Bild 6) und verringert die Welligkeit der Ausgangsspannung nahezu auf das Niveau, das bei einer geschirmten Induktivität zu beobachten ist. Wird die Induktivität an der Unterseite der Leiterplatte platziert, befindet sich die Massefläche zwischen ihr und den übrigen Bauteilen des Ausgangsfilters. Allerdings hat die 1-oz-Kupferkaschierung einer Leiterplatte eine Stärke von 0,035 mm, während die Eindringtiefe von Kupfer bei 660 kHz 0,08 mm beträgt. Die Massefläche stellt deshalb bei der Schaltfrequenz des Wandlers keine effektive Abschirmung für das von der Induktivität erzeugte Magnetfeld dar. Um bei dieser Frequenz wirksam zu sein, müsste die Kupferkaschierung der Massefläche eine Stärke von mindestens 4 oz haben, was allerdings Mehrkosten verursachen und die mit der teilgeschirmten Induktivität erzielten Kosteneinsparungen zunichte machen würde.

Um zu verstehen, weshalb die magnetische Kopplung geringer ist, wenn sich die Induktivität an der Unterseite der Leiterplatte befindet, wurde mit einer Sonde das Magnetfeld in der Umgebung der teilgeschirmten Induktivität gemessen. Dabei zeigte sich, dass das Feld am stärksten war, wenn sich die Sonde neben der Induktivität und nahe an der Leiterplatte befand. Wie zu erwarten war, reduzierte sich die durch die parasitäre Gegeninduktion verursachte Spannungswelligkeit dagegen, wenn die Entfernung zwischen Sonde und Induktivität vergrößert wurde.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 3/2021 (Download PDF)

Wird der Ausgangskondensator unmittelbar neben der Induktivität platziert, befindet er sich infolge von Fringing-Phänomenen in einem Bereich hoher Flussdichte. Bei der Clamshell-Konstruktion wird der Ausgangskondensator stattdessen an der Unterseite der Platine angeordnet, wo das Magnetfeld schwächer ist. Induktivitäten mit größerer Bauhöhe besitzen gegenüber kürzeren einen längeren Luftspalt und schlechtere Eigenschaften hinsichtlich des Fringing-Flusses. Sofern möglich, sollte deshalb eine Induktivität mit geringerer Bauhöhe gewählt werden.

Bild 7: Spannungswelligkeit an der Ausgangsspannung mit zusätzlichem 22-µF-Kondensator.
Bild 7: Spannungswelligkeit an der Ausgangsspannung mit zusätzlichem 22-µF-Kondensator.
(Bild: Texas Instruments)

Ein zusätzlicher Entkopplungs-Kondensator von 22 µF, der in etwa 2 cm Entfernung von der Induktivität am Steckverbinder J2 platziert wird, weist eine vernachlässigbar geringe Gegeninduktion mit der Induktivität auf und ergibt die in Bild 7 gezeigte gemessene Welligkeit. Zwar ist diese Maßnahme eine effektive Möglichkeit, die finale Spannungswelligkeit zu verringern, aber natürlich muss genügend Leiterplattenfläche vorhanden sein, damit dieser Abstand zwischen Kondensator und Induktivität möglich ist.

Um den Verdacht der Einkopplung des Magnetfelds in den Tastkopf auszuräumen, wurde die Spannungswelligkeit in größerer Distanz von der Induktivität am Steckverbinder J2 erfasst, wo die Magnetfeldsonde minimale Werte gemeldet hatte.

* Dan Tooth ist Principal Analogue Field Applications Engineer (MGTS) bei Texas Instruments.

* Jim Perkins ist Senior Principal Analogue FAE & MGTS bei Texas Instruments.

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