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Analog-Grundlagen

Zeit sparen mit einem sorgfältig ausgearbeiteten Netzteil-Layout

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Power-Tipp 56
Power-Tipp 56 (Power-Tipp 56)

Das Design für ein Netzteil kann noch so gut sein – ein nachlässiges Layout kann es im Nu zunichtemachen.

Das Netzteil kann sogar unkontrolliert ins Schwingen geraten, wenn die Regelung versucht, ungewollt eingestreute Störungen zu korrigieren. Es reicht jedoch, nur wenige Minuten in die Planung und Prüfung des Layouts zu investieren, um Störprobleme zu eliminieren und sich damit tagelange Labor- und Debugging-Arbeit zu ersparen.

Bild 1: Störquellen (hier der Schalt-Knoten) und hochohmige Knoten (in diesem Fall der Fehlerverstärker-Eingang) müssen unbedingt im Blick behalten werden. (Bild: TI) Bild 1: Störquellen (hier der Schalt-Knoten) und hochohmige Knoten (in diesem Fall der Fehlerverstärker-Eingang) müssen unbedingt im Blick behalten werden. (Bild: TI)

Bild 1 zeigt als Beispiel ein Layout, bei dem es der zuständige Ingenieur nicht verstanden hat, geschaltete Stromkreise und empfindliche Schaltungsteile voneinander zu trennen. Unbeabsichtigt kommt es hier zu einer kapazitiven Kopplung zwischen dem Schalt-Knoten eines Abwärtswandlers und dem Eingang des Fehlerverstärkers.

Hierzu kommt es nicht selten wegen der großen Zahl der Bauelemente, die an den Fehlerverstärker angeschlossen sind. Bei dem hier verwendeten Controller-IC ist die Gefahr, dass hieraus ein Problem entsteht, sogar noch größer, da zwischen dem Schalt-Knoten und dem Fehlerverstärker-Eingang nur zwei Pins liegen.

Die Behebung des Problems ist trotzdem relativ einfach. Beide Knoten müssen getrennt werden, und zwischen beiden muss eine als Abschirmung dienende Masseleitung verlegt werden. Offensichtlich waren sich auch die Designer des IC dieses potenziellen Problems bewusst, haben sie doch vorsorglich einen Masse-Anschluss zwischen dem Schalt-Knoten und dem Eingangs-Pin des Fehlerverstärkers angeordnet.

Bild 2: Durch Minimieren der Ströme in der Massefläche lassen sich Störprobleme eindämmen. (Bild: TI) Bild 2: Durch Minimieren der Ströme in der Massefläche lassen sich Störprobleme eindämmen. (Bild: TI)

Bild 2 illustriert einen Fall, in dem die Schaltungsentwickler nicht an die Ströme gedacht haben, die in Bypass-Kondensatoren und Snubber-Widerständen fließen. Die Folge war, dass am Ausgang des Netzteils ein hochfrequentes Störsignal festzustellen war. Der synchrone Abwärtswandler dieser Schaltung ist zur Störungsminderung mit einem Snubber-Glied (C1 und R2) versehen. In synchronen Abwärtswandlern kommen zwei Arten von Schaltvorgängen vor. Im ersten schaltet der high-seitige Schalter ab, woraufhin die Ausgangsdrossel den Schalt-Knoten auf Masse zieht und der low-seitige Schalter einschaltet.

Dieser Vorgang ist unkritisch, denn während der Schaltvorgänge liegt an keinem der beiden Schalter eine Spannung. Anders ist es dagegen, wenn der low-seitige Schalter abschaltet und der Strom anschließend über dessen Body-Diode weiterfließt, bevor diese durch das Einschalten des high-seitigen Schalters wieder sperrt. Es entsteht ein Stromstoß, der die Gehäuseinduktivität und die Kapazität des Schalt-Knotens zum Schwingen bringt.

Sind die Totzeiten beim Schalten hinreichend kurz, lässt sich verhindern, dass die Diode leitend wird. Shoot-through-Effekte können jedoch ähnliche Stromstöße hervorrufen. Dieser Schaltvorgang ist deshalb alles andere als unkritisch. Der Sperrerholstrom der Diode und die Kapazität an diesem Knoten werden hart geschaltet, und die Spannung der Oszillationen am Schalt-Knoten kann die Eingangsspannung deutlich übersteigen.

Die Oszillationen dürften Frequenzkomponenten bis in den Bereich von 100 MHz hinein enthalten, die infolge des Kapazitätsbelags der Ausgangsdrossel L1 bis an den Ausgang durchschlagen können. Da das Snubber-Glied die Resonanz dämpft, fließen auch in ihm hochfrequente Ströme.

Die für das Layout verantwortliche Person hätte die Lage hinsichtlich der Störungen durch geeignete Platzierung der Bauelemente verbessern können. Zunächst wäre es möglich gewesen, den Bypass-Kondensator des IC besser anzuordnen (hellblau markiert), um hohe Ströme von der Leiterplatte fernzuhalten. Man sollte diesen Kondensator horizontal unterhalb des IC platzieren, denn es wird hierdurch einfacher, kurze Verbindungen zur Stromversorgung und zur Masse vorzusehen, was die Induktivitäten minimiert und verhindert, dass hochfrequente Ströme in die Massefläche gelangen.

Als nächstes ist auf die beträchtliche Induktivität im Snubber-Glied zu verweisen, die ebenfalls für hochfrequente Ströme in der Massefläche sorgt. Die Snubber-Bauelemente könnten entlang der Unterseite des IC rechts vom bereits versetzten Bypass-Kondensator angeordnet werden. Schließlich ist dieses Layout ebenfalls ein Beispiel dafür, wie geschaltete Stromkreise und empfindliche Schaltungsteile nicht miteinander vermengt werden sollten. Die Verbindung zum Snubber-Glied befindet sich nämlich unmittelbar neben der hochohmigen Spannungsabtast-Schaltung.

Überlegtes Platzieren der Bauelemente in einem Netzteil trägt dazu bei, dass Prototypen schneller die Freigabe erhalten. Man muss sich vergegenwärtigen, dass es im Design sowohl störempfindliche Knoten gibt als auch Knoten, die Störungen aussenden. Es ist ratsam, beide voneinander fernzuhalten.

Außerdem muss auf Bypass-Kondensatoren und Snubber-Glieder geachtet werden. Deren Zuleitungen sind kurz zu halten, und durch überlegte Anordnung der Bauteile ist außerdem sicherzustellen, dass hochfrequente Ströme und starke Wechselströme nicht in die Masseflächen gelangen. Schließlich muss die Integrität der Masseflächen dadurch gewahrt werden, dass möglichst wenige andere Leiterbahnen über diese Flächen führen.

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