Design von Stromversorgungen (Teil 2) Gut geschirmt

Das Leiterplattenlayout entscheidet über den Erfolg oder Misserfolg praktisch jedes Stromversorgungsprojektes. Es bestimmt das funktionale und thermische Verhalten sowie die elektromagnetische Abstrahlung.

Nachdem sich der erste Teil [1] vor allem um das Layout selbst drehte, geht dieser zweite Teil besonders auf die Schirmung ein. Nach der »heißen« Hauptschleife und der INTVCC-Entkoppelschleife sind die nächsten EMI-Problemquellen häufig Gate-Ströme. Selbst moderne MOSFETs haben eine effektive Eingangskapazität im ein- bis zweistelligen Nanofaradbereich. Ihre Treiber haben oft Treiberströme im Bereich von einigen Ampere, mit Anstiegs- und Abfallzeiten im einstelligen Nanosekundenbereich. Bild 1 ist die FFT-Darstellung des Gate-Stroms in Q2 hinein aus Bild 2.

Die grüne Schleife in Bild 2 zeigt den Strompfad für den Bottom-Gate-Strom, der von C1 gespeist wird. Auch diese Schleife soll klein sein. Die Masseverbindung vom Source-Pin von Q2 zum Kondensator C1 lässt sich einfach mit einer soliden Massefläche in der nächsten Lage unter der Bauteilelage realisieren.

Die roten und grünen Schleifen in Bild 3 zeigen die Gate-Treiberstromschleifen des oberen MOSFETs Q1. Der Strom speist sich aus dem Boost-Kondensator C2. Der Rückweg ist der SW-Anschluss am Controller-IC. Im Layout muss der Entwickler die rote Schleife (TG-Pin zu SW-Pin) klein halten und die Leitungen parallel mit nur geringem Abstand platzieren. Ist C2 nahe am Controller-IC platziert, wird die grüne Schleife ebenfalls klein.

Die grüne Schleife in Bild 4 zeigt, wie der Boost-Kondensator aufgeladen wird. Wenn die genannten Schleifen bereits klein gemacht und die Diode D1 relativ nahe platziert ist, dann ist diese Schleife ebenfalls klein.

Die Strommessschaltung in Bild 5 überwacht mit hoher Bandbreite über SENSE+ und SENSE- die kleine Shunt-Spannung an R1, um den oberen Schalt-MOSFET rechtzeitig abzuschalten. Doch selbst Rauschen im Sub-Millivoltbereich lässt das Tastverhältnis der PWM (Pulsbreitenmodulation) leicht jittern. Die Koppelung der Sense-Schleife zu den bisher besprochenen Schleifen sollte minimal sein. Diese aufgespannte Schleifenfläche soll klein sein, deshalb sollte der Entwickler den Abstand zwischen den Leitungen zu SENSE+ und SENSE- minimieren. Dann platziert er die Schleifenleitungen möglichst auf der anderen Seite einer Schirmfläche wie die Schleifen mit hoher Stromsteilheit.

Wenn genügend Lagen verfügbar sind, können die Leitungen zu SENSE+ und SENSE- genau übereinander liegen, wenn es keine signifikanten magnetischen AC-Felder parallel zu den Lagen der Leiterplatte gibt. Sollte eine Filterung für SENSE+ und SENSE- eingesetzt werden, platziert man das Filter nahe am Controller-IC, da R1 immer niederohmig ist und die Sense-Eingänge eine höhere Impedanz aufweisen.

Die »heiße« Hauptschleife mit dem höchsten di/dt in Bild 6 besteht aus den externen MOSFETs Q1 und Q2 und dem nächsten Entkoppelkondensator mit geringer Impedanz C7. Dies ist die Schleife mit der höchsten HF-Energie in einer Controller-Lösung. Eine weitergehende Diskussion zu Controller-Layouts findet man in der Applikationsschrift AN136.

Wie Schirmflächen wirken

Magnetische DC-Felder dringen nahezu ungestört durch Luft, FR4-Epoxy-Dielektrika und Kupfer. Magnetische AC-Felder werden nur durch die induzierten Ströme in einem Leiter beeinflusst - üblicherweise Kupfer, Zinn oder ähnliches. Deshalb kommen, abgesehen von ferromagnetischen Materialien, Ströme als die einzige Quelle in Betracht, um magnetische AC-Felder in einer typischen Baugruppenumgebung zu ändern oder zu dämpfen.

Man weiß aus Versuchen, dass komplett leitende Gehäuse eine sehr hohe Dämpfung aufweisen, weit über 100 dB über einen sehr großen Frequenzbereich oberhalb des AM-Bandes. Keksdosen sind ein populäres Beispiel und werden von Entwicklern gerne benutzt, um empfindliche Baugruppen abzuschirmen, damit Hochfrequenzmessungen (HF) durchgeführt werden können.

Schirmgehäuse kann man in rechteckigen Formen kaufen, die sich besser für Leiterplatten und HF-Steckverbinder wie BNC, N und SMA eignen. Üblicherweise verlassen magnetische HF-Felder geschlossene leitende Boxen nicht, solange die Wandstärke dicker ist als die Eindringtiefe des Skin-Effekts. Selbst darunter wird bis in den Audiobereich eine hohe Dämpfung erzielt.

Wenn man das leitende Gehäuse wie einen Luftballon groß genug aufbläst, sodass es eine flache Wand zwischen uns und dem AC-Strom ergibt, müssen die Wirbelströme im Schirmungsmaterial ein magnetisches AC-Feld generieren, welches das Feld des originalen AC-Stroms hinter der Wand aufhebt. Die Wirbelströme in der Schirmung sind genau so groß, sodass sie jedes magnetische AC-Feld unterhalb des Wirbelstromfeldes eliminieren (Bild 7). Wären die Kupferflächen der Leiterplatte nicht elektrisch leitend, wären sie für jedes magnetische Feld durchlässig wie ein Blatt Papier.

Einzig der Strom im Kupfer beeinflusst das magnetische Feld. Die für Wirbelströme verfügbare Energie wird in der Schirmung induziert. Solche Ströme eliminieren jedes magnetische Feld innerhalb der Kupferschirmung und außerhalb in der Richtung weg vom induzierten Strom, innerhalb der Grenzen des Skin- und Proximity-Effekts (Bild 8).

Die Symmetrieebene (cancellation layer) ist die Ebene, in der sich das magnetische Feld von den induzierten Strömen (z.B. von der »heißen« Schleife) und induzierten Strömen in der Schirmung aufhebt. Deshalb liegt sie in der Mitte zwischen den AC-Strömen, die bei gleicher Größe in entgegen gesetzten Richtungen fließen. Die Lage der Symmetrieebene kann meist sehr leicht abgeschätzt werden und hilft dabei sich vorzustellen, wie die verbleibenden AC-Felder aussehen.

Je näher die Symmetrieebene zur Lage mit dem induzierten Strom liegt, desto besser ist die Sperrwirkung. Die Induktanz ist das Integral des magnetischen Felds; das gleiche magnetische Feld, das die Nahfeld-HF-Antenne bildet. Alle diese Effekte werden reduziert, wenn die Eliminierungslage näher an die Schleife platziert wird, die den Strom induziert. Pro Halbierung des Abstands der Symmetrieebene zur Stromschleifenebene halbiert sich das magnetische Feld und man gewinnt 6 dB Störabstand.

Der Effekt lässt sich auch leicht berechnen beziehungsweise simulieren. Erzeugt man rechnerisch eine zur Oberseite symmetrisch gegenläufige »Geisterstromschleife« in gleichem Abstand zur Symmetrieebene auf der Unterseite, so heben sich die magnetischen Felder in der Symmetrieebene vollständig auf, und schwächen die magnetischen Felder der Originalstromschleife auf der Oberseite entsprechend ab.

Man kann sich das so vorstellen, dass unterhalb der Schirmfläche eine »Geisterschaltung« mit symmetrisch umgekehrt laufenden Strömen existiert, deren Magnetfelder die auf der Oberseite abschwächen. Wenn der Strom durch die Massefläche zurückfließt, ist die Situation etwas anders (Bild 9). Nun wird der Strom in der Massefläche nicht nur passiv induziert, sondern stellt einen aktiven Rückfluss dar. Er ist zwangsläufig derselbe wie der Strom in der Top-Leiterbahn. Der Vorteil ist, dass die Symmetrieebene nun dichter an der induzierenden Leitung liegt. In diesem Fall auf der Hälfte zwischen dem Strom der oberen Lage und dem zurückfließenden Strom in der Massefläche.

Weil die Symmetrieebene nun den halben Abstand zum induzierten Strom hat, kann man sicher sagen, dass das magnetische Feld nun mindestens um Faktor 2 schwächer ist, verglichen mit der vorherigen Situation mit nur passiver Schirmung. Man gewinnt etwa 6 dB gegenüber der Lösung mit nur einer Abschirmfläche ohne aktive Durchströmung.

Wenn möglich, sollte der Entwickler beim Layout der Platine den zurückfließenden Strom in der nächsten Lage führen. Er macht ihre Isolation so dünn, wie es gerade noch praktikabel ist. Es ist besser, dass der zurückfließende Strom in der am nächsten gelegenen Leiterbahn mit minimalem dielektrischem Abstand zum induzierten Strom fließt. Das ist, was solide Masseflächen per Definition machen.

Standard-Multilayer-Boards haben oft sehr dünne äußere Dielektrika-Lagen, um die EMI zu reduzieren. Bild 10 zeigt das HF-Spektrum eines »LT8611«, ein Tiefsetzsteller-IC von Linear Technology, mit Eingangsfilterung aus einer SMD-Ferritperle und 4,7-µF-Keramikkondensator zwischen 30 MHz und 400 MHz. Die dargestellte Linie bei -67 dBm korrespondiert mit 40 dBµV.

Bild 11 zeigt die leitungsgebunden Störungen einer Stromversorgung mit einem »LT8610«, bei 13 V Eingangsspannung und 5 V Ausgangsspannung sowie 1 A Last bis zu 900 MHz. Für die Messung in Bild 11 wird ein zusätzlicher Breitbandverstärker (LNA) mit 35 dB Verstärkung verwendet. Deshalb korrespondiert die 100-dBm-Anzeige des Spektrumanalysators mit 135 dBm, was dem thermischen Grundrauschen eines 50-Ω-Systems mit 10 kHz Bandbreite bei Raumtemperatur entspricht. Die Hauptenergie, die aus dem LT8610/LT8611 herausgefiltert werden muss, liegt unter 400 MHz + 10 dBµV korrespondiert hier mit 3,16 μV (Effektivwert, RMS).

EMI-Optimierung

Zuerst prüft der Entwickler den Lagenaufbau. Er verwendet möglichst eine Leiterplatte mit vier Lagen oder, wenn für andere Schaltungsteile notwendig, mit noch mehr Lagen. Die zweite Lage von der Bestückungsseite her gesehen hat typischerweise nur rund 200 µm Abstand und wird als Schirmfläche ausgeführt. Diese Schirmfläche wird die magnetischen Felder von Schleifen mit hohem di/dt wesentlich besser dämpfen als jede Schirmung, die über 1 mm entfernt in einer zweilagigen Leiterplatte liegt.

Als Daumenwert gilt -6 dB pro Halbierung des Abstands. In der Schirmung der »heißen« Schleifen fließt als Wirbelstrom in der Summe der gleiche Strom wie in der obersten Lage. Die Schirmung in der zweiten Lage ist nur solange funktionsfähig wie sie nicht durchbrochen oder durch Vias »zerlöchert« ist. Je näher man zu »heißen« Schleifen auf der Oberseite kommt, desto solider sollte sie mit möglichst wenigen Via-Löchern sein.

Besser ist genügend Abstand zwischen den Vias, damit keine länglichen Schlitze in der Schirmfläche entstehen. Die Wirbelströme in der Schirmung der »heißen« Schleife korrespondieren mit einer HF-Spannung in der Schirmfläche. Diese möchte man nicht mit Durchkontaktierungen in Bereiche einkoppeln, die man störarm halten möchte.

Die Wirbelströme nehmen mit der Entfernung ab, bleiben aber oft problematisch. Die Herausforderung beim Filtern des Eingangs und, wenn nötig, des Ausgangs ist hauptsächlich das Finden eines Bereichs, der »ruhig« genug ist. Der Masseanschluss von Eingangsfilterkondensatoren sollte in Bereichen liegen, die ruhig sind, möglichst weit weg von »heißen« Schleifen, zum Beispiel auf der Rückseite oder von Layern unterhalb der ersten Schirmlage.

Die Layer unterhalb der Schirmlage sind kaum noch Wirbelströmen aus der »heißen« Schleife der Oberseite ausgesetzt. Vorsicht ist bei magnetischer Kopplung zwischen den Filterspulen und der Hauptspule geboten. Der Einfluss des Trafos kann die Dämpfung gefährden, weshalb man Filterspulen immer mit Abstand zur Hauptspule platziert.

Man benutzt kleine und möglichst flache Keramikkondensatoren (z.B. Gehäusegröße 0402). Blockkondensatoren müssen einen niedrigen Ersatzserien-widerstand (ESL) haben, der hauptsächlich ihre Impedanz diktiert. Weiterhin sollten sie möglichst flach sein, damit die darunterliegende Schirmfläche maximal wirksam für die magnetische Abschirmung ist.

Es spricht nichts gegen die Parallelschaltung kleiner Bauformen, zum Beispiel 0402-Kondensatoren, dicht an der »heißen« Schleife und größeren Kondensatoren dahinter, die für tiefere Frequenzen wirksamer sind. Der Wellenwiderstand der Streifenleitungen, zum Beispiel der Leiterbahnen auf der Eingangsspannungsseite, liegt im Bereich einstelliger Ohmwerte.

Der ESL eines Blockkondensators sollte so niedrig wie nur möglich sein. Man verwendet deshalb flache Kondensatoren möglichst kleiner Baugröße mit »umgedrehter« Geometrie (breit, kurz, flach) oder einen Stapel an 0402-Kondensatoren in nächster Nähe zur Leiterbahn und die größeren Gehäuse dicht dahinter. Jede Leitungslänge steigert signifikant die Induktanz von wenigen hundert Picohenry, wie sie die kleinen Blockkondensatoren besitzen.

Man muss sicherstellen, dass die Eingangsspannung und die Rückführleitungen durch die Pads des Filterkondensators laufen. Dies vermeidet zusätzliche Leitungsinduktanz. Man sollte möglichst mehrere Vias dicht, aber in der Breite verteilt um den Masseanschluss des Filterkondensators legen. Die Schirmfläche unter dem Kondensator und mit der Schirmfläche kontaktiertes Kupfer rechts und links reduzieren die parasitäre Induktivität (ESL) weiter.

Über den Autor:

Christian Kück ist Strategic Marketing Manager Europe für Powermanagement-Produkte bei Linear Technology.