Elektromagnetische
Störungen verringern

Schaltnetzteile kommen in der Fahrzeugelektronik häufig zum Einsatz, da die Energieeffizienz in allen Automotive-Infrastrukturen heute eine wichtige Rolle spielt. Obwohl Schaltnetzteile aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads gegenüber Linearreglern bevorzugt werden, erzeugen sie elektromagnetische Interferenzen (EMI).

Diese können Gegenmaßnahmen wie eine Abschirmung erfordern und zusätzlichen Entwicklungsaufwand verursachen, damit Fahrzeuge die entsprechenden EMV-Tests (elektromagnetische Verträglichkeit) bestehen. Unter den verschiedenen Stromversorgungstechniken, die dazu beitragen, EMI zu minimieren, hat sich das Streuspekt-rum als äußerst effizient bewiesen. Dabei wird die Schaltfrequenz automatisch variiert, um Störungen bei einer bestimmten Frequenz zu verringern. Komplexe Streuspektrum-Techniken wie pseudo-zufällige Modulation bieten die besten Ergebnisse. Einige Schaltnetzteil-Controller enthalten eine Streuspektrum-Funktion, viele jedoch nicht. In solchen Fällen kann ein alternatives Streuspekt-rum-Verhalten dazu beitragen, die EMV in Fahrzeugen zu verbessern: Andere Elektroniksysteme im Fahrzeug enthalten oft ein FPGA, das grundlegende Funktionen bereitstellt. Ein Teil dieser FPGA-Schaltkreise kann dann zur Implementierung eines pseudo-zufälligen Modulators verwendet werden. Nur eine geringe Menge an FPGA-Gattern, ein einziger I/O-Pin und ein Schaltnetzteil-IC mit einem Synchronisationsanschluss (SYNC) sind dazu erforderlich.

Streuspektrum-Modulation

Der Ausgang eines Schaltnetzteils wird typischerweise durch Schalten des Haupt-Leistungs-Mosfets bei fester Frequenz geregelt. Eine Spannungsrückkopplung des Ausgangs moduliert die Pulsbreite und regelt somit die Ausgangsspannung. Mit einem Schaltnetzteil-IC wie dem NCV8851-1 oder NCV890231 von ON Semiconductor lässt sich die Schaltfrequenz folgendermaßen einstellen: ein Widerstand wird über den ROSC-Pin des ICs zwischen dem internen Oszillator und der Masse angeschlossen. Das vereinfachte Blockdiagramm des Schaltnetzteils ist in Bild 1 dargestellt. Alternativ kann der Baustein mit einem externen Takt synchronisiert werden, indem eine Taktquelle höherer Frequenz als die des integrierten Oszillators an den SYNC-Pin des ICs angeschlossen wird (ebenfalls in Bild 1). Im Frequenzbereich zeigen die Schaltimpulse eine sinusförmige Komponente bei einer Frequenz, die auf die Pulsperiode bezogen ist und eine theoretisch unendliche Anzahl von Oberschwingungen bei höheren Frequenzen. Oberschwingungen niedrigerer Ordnung enthalten den größten Anteil der Signalenergie. Dieser wird bei Oberschwingungen höherer Ordnung immer geringer bis hin zu einem praktisch vernachlässigbaren Wert. Die Energie des grundlegenden Signals und der Oberschwingungen ist für die EMI verantwortlich, die ein Netzteil abgibt. Diese muss gedämpft werden. In allgemeinen Anwendungen kommt dabei eine Best-Design-Praxis bei der Auswahl der Bauelemente, des Leiterplatten-Layouts, der Abschirmung und Filterung zum Einsatz. Ist nur sehr geringes Rauschen erwünscht, wie z.B. in einem Automotive-Schaltnetzteil, sorgt die Streuspektrum-Technik für eine zusätzliche Störungsdämpfung. Dabei wird die Frequenz der Schaltimpulse moduliert, womit sich die Energie über einen breiteren Frequenzbereich verteilt. Obwohl das Streuspektrum nicht die gesamte Rauschenergie im Schaltsignal verringern kann, wird zumindest die Spitzenenergie reduziert. Pseudo-zufällige Frequenzmodulation mit festem Tastgrad (PRFMFD) hat sich für optimale Ergebnisse bewährt. Dabei wird die Rauschenergie über ein kontinuierliches Spekt-rum verteilt und die Restwelligkeit der Ausgangsspannung aufgrund des festen Tastgrads minimiert. Damit ergeben sich eine hervorragende Ausgangsregelung, ein verringertes niederfrequentes Rauschen und einfachere Rückkopplungsschaltkreise bei gleichzeitiger Beibehaltung der Schleifenstabilität.

Schaltungsimplementierung

Die Implementierung einer PRFMFD-Funktion in ein FPGA erfordert zwei wesentliche Designblöcke: einen Zufälligkeitsblock und einen Modulationsblock. Ein Decoder dient als Schnittstelle zwischen beiden Blöcken.

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