Design von Stromversorgungen
Layout ist keine schwarze Magie
Das Leiterplattenlayout entscheidet über den Erfolg oder Misserfolg praktisch jedes Stromversorgungsprojekts. Es bestimmt das funktionale und thermische Verhalten sowie die elektromagnetische Abstrahlung. Das Layout eines Schaltnetzteiles findet oft viel zu spät im Entwicklungsprozess die nötige Beachtung und ist keinesfalls »schwarze Magie«.
Vor rund einem Dutzend Jahren setzte ein Anwender zum ersten Mal eine getaktete Stromversorgung für ein Autoradio ein. Viele seiner Kollegen meinten, dies würde nie funktionieren. Nachdem jedoch einige Dinge im Layout und der Eingangsfilterung korrigiert wurden, arbeitete alles perfekt. Später setzte ein anderer Anwender erfolgreich den »LT1940« von Linear Technology ein, einen abwärtswandelnden 1-MHz-Schaltregler mit zwei Ausgangsspannungen, der im Empfänger eines Autoradios mitten im AM-Band arbeitete. Dazu war keine zusätzliche mechanische Schirmung für die Stromversorgung nötig; alles war nur eine Frage der Platzierung und des Layouts.
Um dies zu erreichen, benötigten wir einige physikalische Grundlagen. Bei nichtisolierten Stromversorgungen ist eine der einfachsten Topologien der Abwärtswandler. Elektromagnetische Abstrahlungen (EMI) entstehen in Leiterschleifen mit starken Stromänderungen (di/dt). In den Stromversorgungszuleitungen sowie auch in den Verbrauchern dürften keine hohen Wechselströme fließen.
Deshalb können wir die Analyse auf den Bereich zwischen dem Eingangskondensator CIN, der alle relevanten AC-Ströme liefert, und dem Ausgangskondensator COUT, wo alle AC-Ströme enden, beschränken (Bild 1). Während der On-Periode, in der S1 geschlossen und S2 offen ist, fließt der AC-Strom in der roten Schleife (Bild 1).
Während der Off-Periode, in dem S1 offen und S2 geschlossen sind, folgt der AC-Strom der blauen Schleife. Beide Ströme sind trapezförmig. Schwierig zu verstehen ist oft, dass die Schleife mit der höchsten EMI weder die rote noch die blaue ist. Nur in der grünen Schleife fließt ein vollständig geschalteter AC-Strom, der von Null auf den Spitzenstrom Ipeak und wieder zurück auf null geschaltet wird. Deshalb heißt die grüne Schleife die »heiße« Schleife, da sie die höchste AC- und EMI-Energie enthält.
Um die elektromagnetische Abstrahlung zu reduzieren und die Funktion zu verbessern, ist der abstrahlende Effekt der grünen Schleife so weit wie möglich zu reduzieren. Wenn man die Leiterplattenfläche der grünen Schleife auf null bringen, und einen idealen Eingangskondensator ohne Impedanz kaufen könnte, dann wäre das Problem gelöst. Das ist in der realen Welt leider nicht zu kaufen. Die Aufgabe des Entwicklers ist es also, den optimalen Kompromiss zu finden.
»Heiße« Schleife minimieren
Wirft man einen Blick, auf den Abwärtswandlers »LT8611« (Bild 2), erkennt man, dass dieser Baustein zwei interne Schalter hat, sodass man sich nur um die Verbindung zum Eingangskondensator kümmern muss. Für den Layouter ist die »heiße« Schleife nicht einfach zu erkennen.
Das Leiterplattenlayout des Demoboards »DC1750A« in Bild 3 zeigt diese Schleife als grüne Linie in der obersten Lage. Der AC-Strom fließt durch den Eingangskondensator und die beiden Schalter im IC
Die Stromdichte im Querschnitt der heißen Schleife ähnelt der Darstellung in Bild 4. Schauen wir mal, um wie viel eine Kurzschlussschleife oder eine solide Kupferfläche unter der heißen Schleife die Funktion und das EMI-Verhalten der Schaltung verbessert. Das Ergebnis eines Versuchs mit einer rechteckigen Schleife mit 10 cm x 10 cm bei 27 MHz ist in Tabelle 1 aufgelistet und zeigt, wie groß der Effekt einer soliden Kupferfläche unter der heißen Schleife auf der obersten Lage ist.
| d (mm) | f (MHz) | C (pF) | L (nH) | Beschreibung | Faktor gegenüber 0,12 mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 18,4 | 400 | 187 | einlagige Platine, offene Schleife | 14,4 | |
| 21,2 | 400 | 141 | kupferne Kurzschlussschleife im Innern | 10,85 | |
| 1,5 | 38,9 | 400 | 42 | solide Kupferfläche | 3,23 |
| 1,5 | 34,7 | 400 | 21 | rechteckige Schleife ohne Überlappung | 4,08 |
| 0,5 | 52,1 | 400 | 23 | dünne Rechteckschleife | 1,77 |
| 0,27 | 55 | 400 | 21 | solide Kupferfläche | 1,61 |
| 0,12 | 69 | 400 | 13 | solide Kupferfläche | 1,00 |
Tabelle 1: Veränderung der Induktivitä durch eine Kurzschlussschleife oder eine solide Kupferfläche unter der »heißen« Schleife
Die erste Zeile ist eine einlagige Platine ohne Kupferfläche als Referenz. Die Induktivität der Rechteckwindung auf einer einlagigen Platine sinkt von 187 nH auf 13 nH, wenn man eine solide Kupferfläche in 0,12 mm Abstand unter der Rechteckwindung anordnet (unterste Reihe). Eine solide Fläche auf der nächsten Lage in einer Multilayer-Leiterplatte (vier Lagen und darüber) wird eine mehr als dreimal geringere Induktivität aufweisen als eine normale, 1,5 mm dicke zweilagige Leiterplatte.
Eine solide Massefläche (Plane) mit minimalem Abstand zur heißen Schleife ist eine der effektivsten Methoden, die elektromagnetische Abstrahlung zu reduzieren. Sind ebene Kupferflächen groß gegen die abzuschirmende Schleife, so halbieren sich die abgestrahlten magnetischen Felder (6 dB Dämpfung) mit jeder Halbierung des Abstands zwischen Schleife und Kupferfläche. Dadurch ergibt sich der gravierende Unterschied einer vier- oder mehrlagigen Platinen mit typisch 0,2 mm Dielektrikum von der obersten Lage zur zweiten Lage Kupferfläche im Verhältnis zu einer nur zweilagigen Platine mit etwa 2 mm Abstand zwischen obersten Lage und Kupferfläche auf der Unterseite. Der Unterschied im abgestrahlten magnetischen Feld beträgt rund 20 dB.
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