Analog-Praxis

Induktivitäten sind keine symmetrischen Bausteine

Kristin Rinortner 1. Februar 2013 Bauelemente, Home, Power Management, Schaltungstipps 2 Kommentare

Bei den Schaltgeschwindigkeiten von modernen Schaltreglern im Bereich von 20 ns ist der richtige Einbau einer Spule für das EMV-Verhalten wesentlich. Welche Regeln sollte man hierbei beachten?

Beim Entwurf eines DC/DC-Wandlers kommt man an Induktivitäten kaum vorbei. Es gibt nur zwei Möglichkeiten ohne sie: Linearregler, auch als LDOs bekannt, sowie Ladungspumpen. Linearregler haben in den meisten Anwendungen eine sehr niedrige Effizienz, da sie überschüssige Spannung in Wärme umwandeln.

Ladungspumpen nutzen Kapazitäten und Dioden, um eine Spannung zu verändern, sind aber nur bei niedrigen Lasten praktikabel. Somit sind Induktivitäten als sogenannte Speicherdrosseln in DC/DC-Wandlerschaltungen weit verbreitet. Für die Auswahl der richtigen Induktivität helfen Datenblätter der Schaltregler IC sowie Berechnungstools der Halbleiter- sowie Speicherdrosselhersteller.

Hat man eine Spule ausgewählt, wird sie häufig wahllos auf die Platine gesetzt. Erfahrene Entwicklungsingenieure achten beim Schaltungsentwurf auch darauf, die für Schaltregler wichtigen Regeln für das Platinenlayout einzuhalten. Vielen Anwendern ist aber nicht bekannt, welchen Einfluss die Orientierung der Speicherdrossel auf der Platine hat. Obwohl der Baustein nur zwei Anschlüsse besitzt und dazwischen die gewählte Induktivität liegt, sollte auf die richtige Anschlussrichtung geachtet werden.

Bild 1: Aufbau einer Speicherdrossel

Bild 1: Aufbau einer Speicherdrossel

Warum? Speicherdrosseln sind häufig so konstruiert wie in Bild 1 dargestellt. Es gibt einen Anschluss, welcher als ‚start of winding‘ an den Drosselkern geführt wird. Dort wird der Spulendraht häufig um den Spulenkern gewickelt. Dies geschieht bei den meisten Induktivitäten in vielen Lagen bis genügend Wicklungen für die gewünschte Induktivität erreicht sind.

Das Ende des Spulendrahts wird dann an den zweiten Anschluss der Speicherdrossel geführt. Diesen Anschluss bezeichnet man als ‚end of winding‘. Er ist direkt mit den äußeren Wicklungen der Induktivität verbunden. Der Anschluss ‚start of winding‘ hingegen ist mit den inneren Wicklungen der Speicherdrossel verbunden.

Bild 2: Speicherdrossel in einer Abwärtswandlerschaltung

Bild 2: Speicherdrossel in einer Abwärtswandlerschaltung

Bild 2 zeigt eine typische DC/DC-Wandlerschaltung mit dem ADP2441 von Analog Devices. Dabei handelt es sich um einen Abwärtswandler, der aus einem sehr breiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V eine Ausgangsspannung generiert, die unterhalb der Eingangsspannung liegt.

Wie in jedem Induktiven Spannungswandler wird in der Speicherdrossel Energie gespeichert und dann wieder abgegeben. Dieser Zyklus kommt dadurch zustande, dass die angelegte Spannung über der Induktivität verändert wird. Es muss sich also mindestens die Spannung an einer Seite der Induktivität ändern, um den Zyklus zu erhalten. Bei einem Abwärtswandler wie in Bild 2 dargestellt wird die Spannung am Schaltknoten zwischen der Eingangsspannung, beispielsweise 24 und 0 V, hin und her geschaltet.

Aus Effizienzgründen erfolgt dieses Umschalten sehr schnell, typischerweise innerhalb von 20 ns. Man sollte den Schaltknoten nicht unnötig groß im Platinenlayout auslegen, da man durch die sich schnell ändernde Spannung an diesem Knoten kapazitiv in andere Schaltungsbereiche koppeln kann. Es entsteht Rauschen welches zu erhöhter Stör-Abstrahlung führen kann.

Man sollte also darauf achten, dass der Anschluss ‚start of winding‘ der Speicherdrossel an den Schaltknoten angeschlossen wird. Dieser ‚unruhige‘ Knoten ist dann mit den inneren Windungen der Speicherdrossel verbunden. Die äußeren Wicklungen werden folglich mit der ruhigen Ausgangsspannung verbunden sein und schirmen so die kapazitiven Kopplungen der inneren Windungen weitestgehend ab. Viele Speicherdrosseln haben eine Markierung auf dem Gehäuse mit der die Anschlüsse gekennzeichnet sind.

Früher war es nicht so entscheidend, welche Orientierung die Speicherdrossel aufwies. Viele Spulen hatten noch nicht einmal eine Markierung, anhand derer man festzustellen konnte, welcher Anschluss der Anfang und welcher Anschluss das Ende der Wicklung ist. Einflüsse eines falschen Anschlusses wirkten sich auf die Schaltung nur wenig aus, da die Schalttransienten wesentlich langsamer waren.

Vor 15 Jahren besaßen die Schaltregler zumeist Bipolartransitoren als Schaltelemente, welche bei 50 oder 100 kHz Schaltübergänge im Bereich von 80 oder sogar 100 ns hatten. Die Schaltfrequenzen waren hauptsächlich durch diese langsamen Schaltübergänge begrenzt.

Durch langsame Spannungsänderungen am Schaltknoten wirkt sich die kapazitive Kopplung der äußeren Windungen bei falscher Bestückungsrichtung der Spule nur sehr wenig aus. Somit war die Polarisierung der Spule nicht entscheidend und wurde nicht beachtet. Die heutigen schnellen Schaltübergänge haben also nicht nur das Layout der Platine erschwert, sondern auch eine Richtungsangabe der Speicherdrosseln notwendig gemacht.

Der Autor: Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

 

2 Kommentare

  1. Patrick A 13. Februar 2013 at 09:39

    Zitat:”Aus Effizienzgründen erfolgt dieses Umschalten sehr schnell, typischerweise innerhalb von 20 ns. Man sollte den Schaltknoten nicht unnötig groß im Platinenlayout auslegen, da man durch die sich schnell ändernde Spannung an diesem Knoten kapazitiv in andere Schaltungsbereiche koppeln kann. Es entsteht Rauschen welches zu erhöhter Stör-Abstrahlung führen kann.”

    Wieso entsteht Rauschen durch kapazitiver Kopplung? Es entstehen Störspannungen auf benachbarten Leitungen oder verstehe ich da etwas falsch?

    Gruß Patrick

    • kelebek 20. Februar 2013 at 13:42

      Sie haben ganz recht. Die hochfrequenten Signale entstehen durch das schnelle Umschalten der Schalttransistoren. Diese Signale werden durch kapazitive Kopplung auf benachbarte Leitungen, besonders diejenigen mit hoher Impedanz, eingekoppelt. Im System, also beispielsweise im Signalpfad einer Messtechnikanwendung, findet man dann diese Störgrößen (Rauschen) wieder.

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