Power-Tipp Schaltregler: Die wichtigste Regel beim Leiterplatten-Layout

Beim Design einer getakteten Spannungsversorgung ist das Platinenlayout wichtig, da es die stabile Funktion des Schaltreglers gewährleistet und Störungen minimiert. Dies ist vielen Elektronikentwicklern bekannt. Doch wie sieht ein optimiertes Platinenlayout für eine getaktete Spannungsversorgung aus?

Bild 1 zeigt die Schaltung des Evaluierungsboardes LT8640S. Dabei handelt es sich um einen abwärtswandelnden Schaltregler (Buck-Regler), der Eingangsspannungen bis 42 V verträgt und für einen Ausgangsstrom bis 6 A ausgelegt ist. Alle Komponenten sind sehr dicht angeordnet.

Noch vor 20 Jahren gab es die Empfehlung, die Komponenten auf eine Platine möglichst nahe aneinander zu setzen. Diese Aussage ist nicht generell falsch, damit kommt man allerdings nicht zu einem optimierten Leiterplattenlayout.

Wie in Bild 1 zu erkennen ist, gibt es recht viele passive Bauteile (11 Stück) um einen Schaltregler-IC herum. Welche dieser passiven Bauelemente haben Priorität bei der Platzierung und warum?

Buck-Regler: So platzieren Sie die passiven Bauelemente

Bei Schaltreglern sollen diejenigen Leiterbahnen, die geschaltete, hohe Ströme führen, so kurz wie möglich ausgelegt werden. Wenn diese Regel umgesetzt wird, ist bereits ein Großteil des Platinenlayouts für einen Schaltregler als gut zu bewerten.

Wie wird diese Regel am einfachsten im Platinenlayout umgesetzt? Hierfür müssen Sie herauszufinden, welche Pfade in einer Schaltreglertopologie die kritischen Pfade sind. Bei diesen ändert sich der Stromfluss mit den Schaltübergängen.

Bild 2 zeigt die Beispielschaltung eines Abwärtswandlers (Buck-Topologie). Die kritischen Pfade sind mit roter Farbe markiert. Dieses sind Verbindungsleitungen, welche entweder vollen Stromfluss oder keinen Stromfluss führen, je nach Zustand der Leistungsschalter. Diese Pfade sollten Sie so kurz wie möglich auszuführen. Für einen Buck-Regler gilt, dass der Eingangskondensator so nahe wie möglich an den Pins U_in und GND des Schaltregler-ICs angebracht werden sollte.

Bild 3 zeigt das Schaltungsprinzip einer Boost-Topologie. Hier wird eine niedrige Spannung in eine höhere Spannung gewandelt. In Rot sind wieder die Leitungspfade markiert, bei welchen sich der Stromfluss mit dem Umschalten der Leistungsschalter ändert. Interessanterweise ist hier die Platzierung des Eingangskondensators überhaupt nicht kritisch.

Eine große Rolle spielt hier die Position des Ausgangskondensators. Er muss unbedingt so nahe wie möglich an die Freilaufdiode sowie den Masseanschluss des unteren Schalters gelegt werden.

Drei Tipps zum Leiterplatten-Layout

Sie sollten jede Schaltreglertopologie untersuchen, um herauszufinden, wie sich der Stromfluss mit dem Umschalten der Leistungsschalter ändert. Bei der klassischen Methode drucken Sie die Schaltung auf Papier aus und zeichnen mit drei unterschiedlich farbigen Stiften den Stromfluss ein.

Mit der ersten Farbe markieren Sie den Stromfluss während der On-Zeit, also wenn der Leistungsschalter leitet. Mit der zweiten Farbe zeichnen Sie den Stromfluss während der Off-Zeit ein, also wenn der Leistungsschalter abgeschaltet ist.

Mit der dritten Farbe kennzeichnen Sie schließlich alle Pfade, wo entweder nur die erste Farbe oder nur die zweite Farbe eingetragen ist. Dadurch erkennen Sie den jeweils kritischen Pfad, bei welchen sich der Stromfluss mit dem Umschalten der Leistungsschalter ändert.

Schwarze Magie? Leiterplatten-Layout für Schaltregler

Das Leiterplatten-Layout eines Schaltreglers gilt bei unerfahrenen Entwicklern häufig als ‚schwarze Magie‘. Die wichtigste Regel ist, die Leitungsverbindungen, bei welchen sich der Stromfluss mit den Schaltübergängen ändert, so kurz und knapp wie möglich auszuführen.

Dies ist einfach zu erklären, entspricht logischen Zusammenhängen und ist die Grundlage eines optimierten Platinenlayouts eines Schaltreglers und keine „schwarze Magie“.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

(ID:48521064)