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Platinenlayout von DC-DC-Wandlern

Spulenorientierung und EMV

14. Februar 2022, 8:15 Uhr | Von Keith Szolusha, Gengyao Li und Frank Wang

Viele Induktivitäten für DC-DC-Wandler haben eine Markierung. Anders als bei einigen Kondensatoren sollte es aber eigentlich gleichgültig sein, wie herum Spulen angeschlossen werden. Das ist jedoch ein Trugschluss.

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Wie breit das Spektrum und wie hoch die Amplitude der elektromagnetischen Störungen ist, die getaktete Stromversorgungen abgeben, ist eine Funktion verschiedener Parameter. Darunter fallen der Größe der Kommutierungsschleife (Hot Loop), die Schaltgeschwindigkeit (Slew Rate; du/dt) und Schaltfrequenz, Eingangs- und Ausgangsfilterung, Abschirmung, Layout und Masseanschluss. Eine potenzielle Quelle von Emissionen ist der Schaltknoten, in vielen Schaltplänen mit SW bezeichnet. Das Kupfer dieses Knotens kann als Antenne wirken und Rauschen übertragen, das von schnellen und effizienten Schaltvorgängen mit hoher Leistung generiert wurde. Dies ist für die meisten Schaltregler die Hauptquelle für Störemissionen.

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Die Kupfermenge auf der obersten Lage der Platine (Top Layer) des SW-Knotens ist auf alle Fälle zu minimieren, um die Größe der Antenne zu begrenzen. Bei einem monolithischen Schaltregler, wenn also der Leistungsschalter im IC integriert ist, läuft dieser Knoten mit einer kurzen Leiterbahn auf dem Top-Layer vom IC zur Induktivität. Liegt der Leistungsschalter jedoch außerhalb des Schaltcontroller-ICs kann der SW-Knoten außerhalb des ICs in dem Leistungsschalter selbst enthalten sein. In jedem Fall ist also sowohl bei einem Tief- als auch einem Hochsetzsteller ein Anschluss der Induktivität mit dem SW-Knoten verbunden. Wegen der großen Anzahl an beteiligten Parametern ist das Layout des SW-Knotens auf der obersten Lage in XY-Ebene der Leiterplatte oder auf internen Lagen ein wenig wie »Schwarze Magie« (Bild 1).

Spulengeometrie

Bezieht man die Spulenanschlüsse in die Betrachtung mit ein, hat der SW-Knoten auch eine vertikale Dimension (in der Z-Achse). Diese vertikale Orientierung der Spulenanschlüsse kann die Antenne auf den SW-Knoten vergrößern und damit auch die Störemissionen. Zudem müssen interne Spulenwicklungen nicht unbedingt symmetrisch sein. Selbst wenn die symmetrischen Anschlüsse einer Spule eine im Gehäuse verpackte symmetrische Konstruktion vermuten lassen, sagt jedoch die Polaritätsanzeige auf der Oberseite der Komponente etwas anderes. Bild 2 zeigt die Struktur der internen Wicklung der Serie XAL von Coilcraft. Die Flachdrahtwicklung beginnt am Boden der Komponente und endet auf der Oberseite, sodass ein Anschluss in der Z-Achse wesentlich kürzer als der andere ist.

Außerdem können Spulen mit einem auf der Seite herausgezogenen SW-Knoten schlechter arbeiten als solche mit abgeschirmtem vertikalem Metall, wie in Bild 3 dargestellt. Ein Baugruppenentwickler könnte Spulen mit der geringsten Anzahl an vertikalen und herausgeführten Anschlüssen auswählen, um die Störabstrahlung zu reduzieren. Aber, was ist dann mit der Orientierung der beiden Spulenanschlüsse und ihre relative Auswirkung auf die Emissionen?

Emissionen erzählen die Geschichte

Geringe Abstrahlungen einer Baugruppe im Test sind eine Kombination der IC-Emissionen und Layout-Betrachtungen. Selbst bei einem monolithischen IC mit geringen Emissionen muss beim Layout Sorgfalt aufgebracht werden und auch die Montage der für Emissionen kritischen Komponenten berücksichtigt werden.

Um dies zu zeigen, untersuchte man auf dem Demoboard DC3008A mit dem LED-Treiber LT8386 die Auswirkung der Orientierung der Hauptspule L1 (Bild 4).

Der Spulenhersteller Coilcraft kennzeichnet den kurzen Anschluss der XAL-6060-Serie mit einer weißen Linie auf der Oberfläche der Komponente. Prüfungen nach leitungs-gebundenen Emissionen (Conducted Emissions, CE) und abgestrahlten Emissionen (Radiated Emissions, RE) nach Standard CISPR-25 in der EMI-Prüfkammer zeigten, dass die Platzierungsrichtung (Bild 5) dieser Spule die Leistung deutlich beeinflusst.

Die Bilder 6 bis 8 zeigen, dass die Stärke der Emissionen des DC3008A auf der Demo-Schaltung direkt von der Orientierung von L1 beeinflusst wird, ohne dass andere Komponenten verändert wurden. Speziell die niederfrequenten abgestrahlten Störungen (150 kHz bis 150 MHz) und die leitungsgebundenen Störungen in den FM-Bändern (70 MHz bis 108 MHz) haben bei Orientierung 1 geringere Emissionen – und zwar, weil die Seite mit dem kurzen Anschluss am SW-Knoten liegt. Ein Unterschied von 17 dBµV/m bis 20 dBµV/m im AM-Band kann ebenfalls nicht ignoriert werden.

Emissionen erzählen die Geschichte, Bilder 6 bis 8

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Nicht alle Spulen sind jedoch gleich aufgebaut. Die Wicklungsrichtung, die Form der Anschlüsse, die Form der Anschlussverbindungen und selbst das Kernmaterial können variieren. Die Stärke der magnetischen und elektrischen Felder bei unterschiedlichen Kernmaterialien und mechanischen Konstruktionen können dazu führen, dass sich die Störemissionen verändern. Diese Fallstudie zeigt jedoch einen Problembereich, den man auch zu seinem Vorteil nutzen kann.