Die Entwicklung einer Stromversorgung ist eine komplizierte Aufgabe. Heutzutage sind die Energiequellen vielfältig und der sparsame Umgang mit kostbaren Energieressourcen wird immer wichtiger. Netzstrom, Solarenergie, batteriebetriebene Geräte, Power-over-Ethernet und Energy-Harvesting-Technologien sind Energiequellen, die uns zur Verfügung stehen. Abgesehen von den wichtigen Spannungs- und Stromkriterien handelt es sich bei den elektrisch versorgten Verbrauchern um zunehmend empfindliche Halbleiter mit spezifischen Stromversorgungsspezifikationen. Diese haben nicht nur enge Welligkeitstoleranzen, sondern müssen auch die Auswirkungen größerer und sich schnell ändernder Lastzustände mindern, ohne Transienten auf den Versorgungsschienen zu verursachen und übermäßige EMI zu erzeugen. So kann beispielsweise der Bedarf von FPGAs, die in vielen rechenintensiven Anwendungen im Bereich „maschinelles Lernen“ eingesetzt werden, in Mikrosekunden von wenigen Ampere auf über 50A ansteigen.

Die Ursachen für Transienten sind vielfältig. Wie bereits erwähnt, können leistungsstarke programmierbare Logik und Prozessoren erhebliche Lastschwankungen der Stromversorgung verursachen, die ihrerseits Transienten erzeugen können. Die industrielle Motorsteuerung ist eine weitere häufige Quelle für transiente Störungen. Hierbei können Hochfrequenz- und Hochstrom-dv/dt-Schalttechniken zu großen Transienten führen. Wenn sich die Transientenamplitude nicht durch Filter und Kombinationen passiver Komponenten reduzieren lässt, können dauerhafte Schäden an High- und Low-Side-H-Brücken-Treibertransistoren die Folge sein. Abgesehen von den Spannungsspitzen sind Transienten auch für die Erzeugung elektromagnetischer Störungen (EMI) verantwortlich. Gängige und effiziente AC/DC- und DC/DC-Schalttopologien für Stromversorgungen wie Auf-/Abwärtswandler erzeugen ebenfalls EMI auf den Stromschienen. Je nach Leitungslänge kann die EMI-Abstrahlung den Betrieb des Endsystems und anderer Geräte in der Nähe stören. Konventionelle Techniken mit Passivkomponentenfilterung und Folienabschirmung können zwar einen beträchtlichen Teil des induzierten und abgestrahlten Rauschens entfernen, es gibt jedoch einige Anwendungen, bei denen der Umgebungsrauschpegel extrem niedrig sein muss. Bei Schaltwandlern ist der Trend zur Miniaturisierung nur durch eine Verringerung der Baugröße der Induktivitäten und passiven Bauelemente möglich, was jedoch höhere Schaltfrequenzen notwendig macht. Schaltwandler arbeiten heute im Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz und decken damit Teile des AM-Funkspektrums ab. Angesichts dieser EMI-Herausforderungen implementieren die Hersteller von Wandlern, insbesondere für Infotainment-Systeme für Autos, jetzt eine Spread-Spectrum-Technik zur Steuerung der Schaltfrequenz. Ein Beispiel hierfür ist der TPS6281x-Q1 von Texas Instruments. Der TPS62810 ist ein nach AEC-Q100 für den Automobilbereich qualifiziertes Teil mit einer Standardschaltfrequenz von 2,25 MHz, die nach dem Zufallsprinzip um +/-288 kHz um eine konfigurierbare Schaltfrequenz von 1,8 bis 4,0 MHz variiert werden kann.

Eine weitere innovative Technik für EMI-anfällige Messanwendungen ist ein DC/DC-Wandler, der den Wandler kurzzeitig anhalten kann, um eine Messung durchzuführen, wobei ein Haltekondensator zur Versorgung der Last verwendet wird. Ein Beispiel ist der TPS62840 von Texas Instruments, der über einen STOP-Pin zum Anhalten der Umwandlung verfügt, wodurch alle Schaltgeräusche eliminiert werden, siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Darstellung der STOP-Funktion des Abwärtswandlers TPS62840 von Texas Instruments (Quelle: Texas Instruments)