DE19913464A1 - Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Schaltstörungen bei Schaltnetzteilen - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Schaltstörungen bei Schaltnetzteilen mit einem mit einem Schalttakt betreibbaren Schalter (S), insbesondere einem Schaltertransistor, und einer dem Schalter vorgeschalteten, wenigstens zwei Kondensatoren und eine Induktivität aufweisenden Stützkondensatorschaltung, wobei die wirksame Kapazität und/oder die wirksame Induktivität der Stützkondensatorschaltung derart dimensioniert sind, daß als Folge der getakteten Schaltung des Schalters in der Stützkondensatorschaltung angeregte Sprungantworten mit der Resonanzfrequenz der Stützkondensatorschaltung sich wenigstens teilweise aufheben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Schaltstörungen bei Schaltnetzteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Schaltnetzteilen, insbesondere Tiefsetzstellern, ist es üblich, dem schaltenden Element des Schaltnetzteils einen Stützkondensator vorzuschalten. Derartige Stützkondensato­ ren dienen dazu, die das schaltende Element beaufschlagende Eingangsspannung zu stabilisieren. Als Stützkondensatoren werden üblicherweise Parallelschaltungen aus Keramik-, Fo­ lien- und/oder Elektrolyt-Kondensatoren verwendet. Ziel hierbei ist, durch geeignete Wahl der Bauelemente deren Im­ pedanzkennlinien so zu kombinieren, daß eine bestmögliche Abdeckung des gesamten Frequenzspektrums des schaltenden Elements erreicht wird. Insbesondere bei hart geschalteten Schaltnetzteilen ist diese Vorgehensweise üblich, da hier ein auftretendes Störspektrum keine definierten Frequenzen, wie diese etwa bei Resonanzwandlern auftreten, enthält.

Als problematisch bei herkömmlichen Schaltnetzteilen er­ weist sich, daß aufgrund der harten bzw. getakteten Schal­ tung des schaltenden Elements Sprungantwortfunktionen als Störungen über die Anschlußleitungen ausgekoppelt werden. Derartige Schwierigkeiten können insbesondere bei der Ver­ wendung von Elektrolyt-Kondensatoren auftreten, welche ei­ nen hohen Ersatzserienwiderstand (ESR) aufweisen. Hohe Er­ satzwiderstände führen, zusammen mit relativ langen An­ schlußleitungen (welche eine merkliche Leitungsinduktivität aufweisen) und parallel geschalteten kleineren Keramik- oder Folien-Kondensatoren zu Schwingungen in dem Stützkon­ densator bzw. der Stützkondensatorschaltung, welche die Schaltnetzteilschaltung insgesamt negativ beeinflussen kön­ nen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaltung für Schaltnetzteile, bei welcher die auf­ grund einer getakteten Ansteuerung eines Schalters ausge­ koppelten Störungen wirksam vermindert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Schaltstörungen bei Schaltnetzteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch ge­ eignete Dimensionierung der Bauteile einer dem Schaltnetz­ teil vorgeschalteten Stützkondensatorschaltung die in die­ ser Stützkondensatorschaltung auftretenden Sprungantworten aufgrund der getakteten Schaltung des Schalters (Sprung­ funktion) sich wenigstens teilweise gegenseitig aufheben können. Es erweist sich als vorteilhaft, daß hierbei Quer­ ströme zwischen den einzelnen Kondensatorbauteilen bzw. - kapazitäten positiv beeinflußt werden können.

Durch geeignete Dimensionierung der Kondensatorbauteile der Stützkondensatorschaltung können Schwingkreiseffekte, wel­ che aufgrund der getakteten Ansteuerung des Schalters in der Stützkondensatorschaltung induziert werden, dazu ausge­ nutzt werden, die Auskopplung von Störungen zu vermindern bzw. vollständig zu vermeiden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise sind die Kondensatoren und/oder die In­ duktivitäten der Stützkondensatorschaltung derart gewählt, daß für die Beziehung zwischen der Frequenz des Schalttak­ tes _Schalt des Schalters und der Resonanzfrequenz _res der Stützkondensatorschaltung gilt:

Die Resonanzfrequenz bzw. die Frequenz der Sprungantwort der Stützkondensatorschaltung, _res, ergibt sich hierbei aus der Beziehung

Hierbei stellt L_ges die Gesamtinduktivität (in der Regel die Induktivität der stromführenden Leitungen) und C_ges die Ge­ samtkapazität der Stützkondensatorschaltung dar. Durch ge­ eignete Wahl der Kondensatorkapazitäten bzw. der Leitungs­ induktivität kann hiermit die gewünschte gegenseitige Auf­ hebung bzw. Auslöschung der auftretenden Sprungantworten erzielt werden.

Es ist besonders bevorzugt, daß als Schalter ein MOSFET- Bauteil verwendet wird. Derartige Bauteile (Metalloxid- Feldeffekt-Transistoren) sind preiswert verfügbar, und er­ weisen sich in der Praxis als robust und zuverlässig.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Eingangskreises eines als Tiefsetzsteller ausgebildeten Schaltnetzteils,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Darstellung des rea­ len Aufbaus einer Parallelschaltung von Kondensa­ toren, wie sie in einer Stützkondensatorschaltung auftritt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer getakteten Ansteuerung eines Schalters des Schaltnetzteils, und

Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der Überlagerung von Sprungantworten, welche durch die getaktete Ansteuerung des Schalters verursacht sind.

In Fig. 1 ist ein Eingangskreis eines Tiefsetzstellers dar­ gestellt. Hierbei wird eine Eingangsspannung U_ein in eine kleinere Ausgangsspannung U_aus umgewandelt. Die dargestellte Schaltungsanordnung weist einen als Schalter dienenden Schalttransistor S auf. Diesem Schalttransistor S ist ein Stützkondensator C_e, über welchen eine Spannung U_Ce abfällt, vorgeschaltet. Die Schaltung weist ferner eine Freilauf­ diode D und einen hierzu parallel geschalteten Ausgangskon­ densator C_a auf, wobei diesen Bauelementen eine Speicherin­ duktlvltat L_Speicher zwischengeschaltet ist. Der dargestellte Tiefsetzsteller funktioniert in an sich bekannter Weise, so daß auf eine Darstellung seiner Funktionsweise im einzelnen an dieser Stelle verzichtet werden soll. Weitere charakte­ ristische Ströme und Spannungen der Schaltung, nämlich I_ein, I_D, I₁, U₁ und I_aus sind zur Verdeutlichung in Fig. 1 einge­ zeichnet.

Der in der Fig. 1 dargestellte Stützkondensator C_e ist in der Praxis als Parallelschaltung von unterschiedlichen Kon­ densatortypen ausgebildet. Hierbei werden insbesondere Par­ allel-Kombinationen von Keramik-, Folien- und Elektrolyt- Kondensatoren eingesetzt. Eine derartige Parallelschaltung von Kondensatoren, welche insgesamt eine Stützkondensator­ schaltung bildet, ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist ein erster Kondensator C_ein einem zweiten Kondensator C_e' parallel geschaltet. Die in einer derartigen Schaltung auf­ tretenden Leitungsinduktivitäten sind in Fig. 2 schematisch mit L_ltg dargestellt. Der in der Stützkondensatorschaltung auftretende Querstrom ist mit I_Q bezeichnet. In Fig. 2 ist, zur Verdeutlichung, daß es sich hierbei um eine konkrete Ausführungsform des Stützkondensators C_e der Fig. 1 han­ delt, der Schalter S noch einmal dargestellt. Auf eine Dar­ stellung der übrigen Bauteile gemäß Fig. 1 wurde verzich­ tet.

Eine derartige Parallelschaltung von Kondensatoren bildet eine CLC-Filterstufe, so daß alle bei einer derartigen Fil­ terstufe auftretenden Schwierigkeiten, wie etwa Resonanzer­ höhung usw., berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der in den einzelnen Bauteilen und den Leitungen auftretenden Ohm­ schen Widerstände stellt die Schaltung der Fig. 2 in der Praxis einen gedämpften Schwingkreis bzw. Filter dar. Bei einer Anregung dieses Schwingkreises durch eine Sprungfunk­ tion ergibt sich als Sprungantwort eine gedämpfte Schwin­ gung mit der Amplitude der Sprungfunktion und der Resonanz­ frequenz des Schwingkreises. Durch die getaktete Schaltung des Transistors S liegt eine derartige Sprungfunktion an der Stützkondensatorschaltung der Fig. 2 an. Zu jedem Ein­ schaltzeitpunkt des Transistors S wird hierbei ein positi­ ver Sprung des den Transistor S durchfließenden Stromes I_S auftreten, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Schalterstrom I_S ist auch in Fig. 1 eingezeichnet. In Fig. 3 ist ferner die Schaltperiode T_Schalt eingezeichnet.

Durch geeignete Dimensionierung der Kondensatoren C_ein und C_e' der Stützkondensatorschaltung kann bewirkt werden, daß die einzelnen Sprungantworten, welche als gedämpfte Schwin­ gungen in der Stützkondensatorschaltung auftreten, zur ge­ genseitigen Überlagerung bzw. Auslöschung gebracht werden. Es sei angemerkt, daß sich überlagernde Sprungfunktionen im ungünstigsten Fall aufsummieren und so zu einer sogenannten Resonanzkatastrophe führen können. Dies wird immer dann der Fall sein, wenn gilt (ganzzahlige, positive n):

Andererseits läßt sich der günstigste Fall, d. h. im wesent­ lichen eine gegenseitige Aufhebung der sich überlagernden Sprungantworten, einstellen, wenn gilt (wiederum ganzzahli­ ge, positive n):

Bei diesem Frequenzverhältnis löschen sich die angeregten Sprungantworten gegenseitig aus. Dieses Verhalten der Sprungantworten kann, wie bereits erwähnt, insbesondere durch eine entsprechende Dimensionierung der Kondensator­ bauteile der Stützkondensatorschaltung erreicht werden. Für die Resonanzfrequenz _res der Kondensatorschaltung gilt näm­ lich:

Hierbei berechnet sich die wirksame Kreiskapazität C_ges aus der Serienschaltung der Kondensatoren C_ein und C_e'. Die wirk­ same Kreisinduktivität Lges berechnet sich aus der Länge al­ ler Leitungen in dem Resonanzkreis zuzüglich der Induktivi­ täten der einzelnen Bauteile.

Der näher am Schalttransistor S sitzende Kondensator C_e ist vorteilhafterweise ein hochwertiger Kondensator mit kleinem ESR (Ersatzserienwiderstand) und kleiner ESL (Ersatzserien­ induktivität). Er sollte sehr dicht an dem Schalttransistor S angeordnet sein, um die im Schaltkreis gespeicherte in­ duktive Energie möglichst klein zu halten.

Ferner muß die Zuleitung zwischen dem ersten Kondensator C_e' und dem zweiten Kondensator C_ein eine definierte Länge und somit eine definierte Induktivität aufweisen (Richtwert beispielsweise 1 nH pro 1 mm Leiterbahn). Der zweite Konden­ sator C_ein kann als Kondensator mit hohem ESR ausgebildet sein, da er nicht mehr mit Stromsprüngen, welche durch die getaktete Schaltung des Schalttransistors S entstehen, be­ aufschlagt wird. Diese Stromsprünge können in wirksamer Weise mittels des Kondensators C_e' aufgefangen werden, wel­ cher, wie erwähnt, einen kleineren ESR aufweist.

In Fig. 4 ist schließlich die Überlagerung von zwei Sprun­ gantworten, welche durch die getaktete Schaltung des Schalttransistors T bzw. durch die Sprungfunktionen der diesen durchfließenden Schalterströme I_S verursacht sind, vereinfacht dargestellt. Der Anschaulichkeit halber ist hierbei auf eine Darstellung der Dämpfung der einzelnen Sprungantworten aufgrund Ohmscher Effekte verzichtet. Die jeweiligen Ordinaten der Sprungantworten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit versetzt zueinander eingezeichnet. Bei der Darstellung der Fig. 4 ist die erfindungsgemäß vor­ geschlagene Beziehung zwischen der Taktfrequenz _Schalt und der Resonanzfrequenz der Sprungantworten _res verwirklicht. Man erkennt, daß die dargestellten Sprungantworten sich im wesentlichen aufheben, da gilt (n = 2):

Die Einschaltzeiten des Schalttransistors S und damit die Schaltperiode T_Schalt ist mittels der senkrechten Pfeile 1, 2 dargestellt. Die Resonanzperiode

ergibt sich un­ mittelbar aus dem sinusförmigen Verlauf der dargestellten Sprungantworten.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Schaltstörungen bei Schaltnetzteilen mit einem mit einem Schalttakt be­ treibbaren Schalter (S), insbesondere einem Schalttransi­ stor, und einer dem Schalter vorgeschalteten, wenigstens zwei Kondensatoren (C_ein, C_e') und eine Induktivität aufwei­ senden Stützkondensatorschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Kapazität (C_ges) und/oder die wirksame In­ duktivität (L_ges) der Stützkondensatorschaltung derart di­ mensioniert sind, daß als Folge der getakteten Schaltung des Schalters (S) in der Stützkondensatorschaltung angereg­ te Sprungantworten mit der Resonanzfrequenz (_res) der Stützkondensatorschaltung sich wenigstens teilweise aufhe­ ben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wirksame Kapazität und/oder die wirksame Induktivität derart gewählt sind, daß gilt:

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) als MOSFET ausgebildet ist.