Profitieren Sie von der „Silent Switcher“-Architektur

Die „Silent Switcher“-Architektur von Linear Technology reduziert die EM-Emissionen erheblich.
Dies ist ein 04.01.2018 veröffentlichter Archiv-Artikel. Manche Informationen sind unter Umständen nicht mehr aktuell und entsprechen nicht mehr dem neuesten Stand. Bitte kontaktieren Sie uns bei Interesse.

Wie funktioniert das?

Die erste Generation der „Silent Switcher“-Architektur, die in IC LT8614, LT8640 und LT8641 Verwendung findet, reduziert EM-Emissionen durch:
1. ein internes IC-Strukturdesign und optimal platzierte Kontaktstifte
2. gut abgestimmte ansteigende und abfallende Flanken
3. ein richtiges PCB-Design (Printed Circuit Board), das den „Hot Loops“-Bereich auf Leiterplatten minimiert
4. die Minimierung des Massenwiderstands an der PCB
5. Umschalten der Frequenzspreizungsmodulatione

Die verbesserte Version „Silent Switcher 2“, die in IC LT8609S, LT8640S, LT8643S und LT8645S implementiert ist, geht sogar noch einen Schritt weiter:
1. Der IC (integrierte Schaltkreis) beinhaltet eine interne Erdungsplatte und die Verwendung von Kupfersäulen anstelle von Bonddrähten
2. Der IC beherbergt Kondensatoren, die mit BST- und INTVcc-Pins verbunden sind, um „Hot Loops“ weiter zu minimieren

Inwiefern sind ansteigende/abfallende Flanken mit dem Signalspektrum verbunden?

Eine weitere Quelle für Hochfrequenzenergie (hf) sind Überschwingungen an den Flanken. Eine Wellenform kann so aussehen

aber auch so
Die Anstiegs- und Abfallzeiten bewegen sich im ns-Bereich, der erste Schaltkreis dieser Serie, der LT8614 verfügt jedoch über Schaltflanken, die nahezu keine Überschwingungen aufweisen. Je steiler die Schaltflanken, desto besser wird das Signal von Hochfrequenzkomponenten eingedämmt. Je höher die Frequenz, desto kürzer muss die Antenne sein, um effektive Emissionen zu erreichen. Wir fügen Schaltkreisen nicht absichtlich Antennen hinzu, aber viele Strukturen, die als Bestandteil eines Systems oder einer PCB genutzt werden, funktionieren als Antennen.

Strahlung von Schaltspannungsregler

Strahlung kann entweder im Differenzmodus oder im Gleichtaktmodus entstehen.
Differenzmodus-Strahlung ist das Ergebnis eines normalen Schaltkreisbetriebs und geht darauf zurück, dass Strom um Schleifen (Loops) fließt, die durch die Leiter des Schaltkreises gebildet werden. Diese Schleifen fungieren als kleine Rahmenantennen, die vor allem Magnetfelder ausstrahlen. Obgleich diese Schleifen für den Schaltkreisbetrieb notwendig sind, muss deren Größe und Fläche während der Konstruktionsphase kontrolliert werden, um die Strahlung zu minimieren.
Gleichtaktstrahlung ist das Ergebnis von Parasiten im Schaltkreis und geht auf Spannungsabfälle in den Leitern zurück. Der Strom, der durch den Massenwiderstand fließt, verursacht einen Spannungsabfall. Wenn Kabel anschließend wieder an das System angeschlossen werden, werden sie von diesem Gleichtakt-Erdungspotential beeinflusst, sodass Antennen entstehen, die vor allem elektrische Felder ausstrahlen. Da diese parasitären Impedanzen dem System nicht absichtlich hinzugefügt werden oder in der Dokumentation erwähnt sind, ist die Gleichtaktstrahlung oftmals schwerer zu verstehen und zu kontrollieren.

Warum sollen „Hot Loops“-Flächenbereiche minimiert werden?

Profitieren Sie von der „Silent Switcher“-Architektur
Wenn S1 auf ON ist (Nach Ausschalten von S1 und Einschalten von S2) fließt Strom in der roten (blau) und grünen Schleife. di/dt in der roten und grünen Schleife ist durch die Spuleninduktivität begrenzt. Die Stromwellenkurve entspricht DC mit einer überlagerten Dreieckwelle. di/dt in der grünen Schleife wird lediglich durch Parasiten begrenzt und ist weitaus größer als di/dt in der roten oder blauen Schleife. Die grüne Schleife ist unsere „Hot Loop“. Bei den Cds auf dem Bild unten handelt es sich um eine parasitäre Kapazität zwischen Mosfet S1 oder S2 Drain und Source.


Eine weitere „Hot Loop“ ist der Boost-Schaltkreis.
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Der in der „Hot Loop“ fließende Strom erzeugt Rahmenantennen. Bei einem Schleifenumfang von weniger als ¼ der Wellenlänge tritt die maximale Stärke des elektrischen Felds parallel zu der Schleife auf.

E=K1 f2 A I_dm
• f – Schaltfrequenz und ihre Harmonik
• I_dm – der in der Schleife fließende Strom
• A – Schleifenbereich

Wenn wir die Spektrumshülle des trapezförmigen Signals mit Frequenzeigenschaften der Rahmenantenne kombinieren (f2 -> 20 log f2 = 40 log f => 40db/dec), erhalten wir die Differenzmodus-Strahlungsemissionshülle.
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Die Hülle gilt für den Frequenzbereich, wenn der Schleifenumfang weniger als ¼ der Wellenlänge beträgt.

Beispiel: Die Wellenlänge für eine Frequenz von 1Ghz (oberes Limit für die Messung von Strahlungsemissionen bei EMV-Tests) ist Lambda=c/f=3e8/1e9=0,3m =>Lambda/4=75mm. Der Schleifenumfang an der PCB ist typischerweise kleiner als 75mm, die Differenzmodus-Strahlungsemissionen gelten für eine solche Schleife.

Es sind steile Schaltflanken für den Normalbetrieb des IC erforderlich; der einzige Weg zur Minimierung von Strahlung ist die Minimierung des Schleifenbereichs durch ein korrektes PCB-Design.

Warum den Massenwiderstand minimieren?

Durch Massenwiderstände fließender Strom erzeugt Spannungsabfälle. Wenn die Frequenz steigt, steigt auch die Impedanz aufgrund der Induktivität der GND-Bahnen. Wenn die Antenne mit der GND verbunden wird, entsteht ein EMV-Problem. Solche Antennen können als kurze Dipolantenne modelliert werden.

Stärke des elektrischen Felds E = K2 f L I_cm

• f – Schaltfrequenz und ihre Harmonik
• I_cm – Antennenstrom
• L – Antennenlänge
Wenn wir die Spektrumshülle des trapezförmigen Signals mit der Frequenzeigenschaft der Antenne kombinieren, erhalten wir die Gleichtaktmodus-Strahlungsemissionshülle.
Wenn wir die Hülle für den Gleichtaktmodus und Differenzmodus miteinander vergleichen, sind Gleichtaktmodus-Emissionen eher bei geringeren Frequenzen ein Problem, während Differenzmodus-Emissionen eher bei höheren Frequenzen ein Problem sind.


Falls die Stärke des elektrischen Felds, das durch Differenzmodus-Emissionen erzeugt wird, identisch zum Gleichtaktmodus ist, dann ist K1 f2 A I_dm = K2 f L I_cm. Durch Lösen von I_dm/I_cm erhalten wir

I_dm/I_cm=K2 L/ K1 f A = 48e6 L/f A [Henry W. Ott, Electromagnetic Engineering Compatibility]

pre f=100MHz, Schleifenumfang 40mm => A=127,3mm2=127,3e-6m2,und Kabellänge (Antenne) 1m I_dm/I_cm= 3770

Anders ausgedrückt: der Gleichtakt-Strahlungsmechanismus ist weitaus effizienter als der Differenzmodus-Strahlungsmechanismus.
Zur Minimierung von Gleichtaktmodus-Strahlung müssen wir den Massenwiderstand minimieren.

Inwiefern hilft das Spreizspektrum?

Stromversorgungen bestehen üblicherweise EMV-Prüfungen nicht aufgrund übermäßiger Gesamtspektralenergie, sondern aufgrund von Energie, die in einem schmalen Frequenzband im Bereich der Schaltfrequenzharmonik gebündelt ist. Die Frequenzmodulation der Schaltfrequenz verändert nicht die Gesamtenergiemenge, sondern verteilt die Energie auf ein Frequenzband, das breiter ist, als die Eingangsbandbreite des im Rahmen von EMV-Prüfungen verwendeten Spektrumanalysators. Die „Silent Switcher“-Architektur moduliert die Schaltfrequenz in einem Bereich von 20% durch Nutzung des Dreieckwellensignals.

Um weitere Informationen über die Produkte von Linear Technology zu erhalten, erreichen Sie uns über die E-Mail-Adresse verkauf@soselectronic.de

Merkmale:

  • Ultrageringe EM-Emissionen
  • Frequenzspreizungsmodulation
  • Effizienz von bis zu 95% bei 1MHz, bis zu 94% bei 2MHz
  • Großer Eingangsspannungsbereich: 3V bis 65V (LT8641, LT8645S), 3,4 bis 42V (LT8614, LT8640, LT8609S, LT8640S, LT8643S)
  • Ausgangsstrom: LT 8609S 2A, LT8641 3,5A LT8614 4A, LT8640 5A, LT8640S und LT8643S 6A, LT8645S 8A
  • AEC-Q100-konform ausgelegt: LT8609S, LT8641, LT8640, LT7640S, LT8645S

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