Minimierung von Störeinflüssen in Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer Effizienz und Flexibilität sehr beliebt. Sie bringen allerdings durch ihre Ausbreitung in neue Anwendungen auch Herausforderungen mit sich. Vor allem ihre hochfrequenten Schaltvorgänge können elektromagnetische Interferenzen (EMI) in das übrige System induzieren. Darüber hinaus verringern dieselben Faktoren, die zu EMI führen können, auch den Wirkungsgrad, wodurch einer der wichtigsten Vorteile von Schaltnetzteilen untergraben wird.

Um diese Probleme zu vermeiden, muss bei der Konfiguration der „heißen Schleife“ (englisch „Hot Loop“), dem Teil des Stromversorgungsschaltkreises, in dem schnelle Schaltvorgänge stattfinden, sorgfältig vorgegangen werden. Die Minimierung der parasitären Verluste der heißen Schleife aufgrund des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) und der äquivalenten Serieninduktivität (ESL) ist von entscheidender Bedeutung. Dies kann durch die Auswahl hochintegrierter Komponenten und einem sorgfältigen Leiterplattenlayout erreicht werden.

In diesem Artikel werden heiße Schleifen und die Quellen parasitärer Verluste vorgestellt, darunter Koppelkondensatoren, Leistungs-Feldeffekttransistoren (FETs) und Leiterplatten-Durchführungen. Anschließend wird ein Beispiel für einen hochintegrierten Leistungswandler von Analog Devices gezeigt und es werden verschiedene Leiterplattenlayouts und deren Auswirkungen auf parasitäre Parameter vorgestellt. Abschließend werden praktische Tipps zur Reduzierung von ESR und ESL gegeben.

Grundlagen zu den heißen Schleifen von Schaltnetzteilen

Bei allen Stromversorgungsdesigns, die mit schnell schaltenden Strömen arbeiten, wie z. B. Boost-, Buck-Boost- und Flyback-Wandlern, gibt es heiße Schleifen mit Strömen, die bei hohen Frequenzen schalten. Dieses Konzept wird anhand eines vereinfachten Abwärtswandlers veranschaulicht, der auch als Buck-Konverter bezeichnet wird (Abbildung 1). Die Schleife auf der linken Seite (rot) enthält alle Schaltelemente; die von der Schaltung erzeugten hochfrequenten Ströme sind darin enthalten und bilden die heiße Schleife.

Abbildung 1: Ein vereinfachter Abwärtswandler veranschaulicht das Prinzip einer heißen Schleife (rot hervorgehoben). (Bildquelle: Analog Devices)

Der „heiße“ Aspekt ergibt sich aus den erheblichen Energieumwandlungs- und Schaltvorgängen, die in diesem Bereich des Schaltkreises stattfinden und häufig mit Wärmeentwicklung einhergehen. Das richtige Layout und Design dieser heißen Schleifen ist entscheidend für die Minimierung von EMI und die Gewährleistung eines effizienten Stromversorgungsbetriebs.

Die realistischere Schaltung in Abbildung 2 zeigt einen synchronen DC/DC-Abwärtswandler. Bei dieser heißen Schleife sind die physikalischen Komponenten (schwarz gekennzeichnet) der Eingangskondensator (C_IN) und die schaltenden Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) M1 und M2.

Abbildung 2: Heiße Schleifen in der realen Welt enthalten zwangsläufig parasitäre Parameter, die in rot dargestellt sind. (Bildquelle: Analog Devices)

Die parasitären Parameter innerhalb der heißen Schleife sind rot gekennzeichnet. Der ESL-Wert liegt typischerweise im Nanohenrybereich (nH), während der ESR-Wert im Milliohmbereich (mΩ) liegt. Das hochfrequente Schalten verursacht ein Klingeln innerhalb der ESLs, was zu EMI führt. Die in den ESLs gespeicherte Energie wird dann von den ESRs abgeleitet, was zu Leistungsverlusten führt.

Minimierung parasitärer Parameter mit integrierten Komponenten

Diese parasitären Impedanzen (ESRs, ESLs) treten innerhalb der Komponenten und entlang der Leiterbahnen der Hot-Loop-Leiterplatte auf. Um diese Parameter zu minimieren, müssen die Komponenten sorgfältig ausgewählt und das Leiterplattenlayout optimiert werden.

Eine Möglichkeit, beide Ziele zu erreichen, ist die Verwendung integrierter Komponenten. Dadurch entfallen die Leiterbahnen auf der Leiterplatte, die für den Anschluss diskreter Komponenten erforderlich sind, und die Gesamtfläche des heißen Kreises wird reduziert. Beides trägt zur Verringerung der parasitären Impedanz bei.

Ein hervorragendes Beispiel für ein hochintegriertes Bauteil ist der µModule-Abwärtsregler LTM4638 von Analog Devices. Wie in Abbildung 3 dargestellt, sind in diesem 15-Ampere-Schaltregler der Schaltregler, die Leistungs-FETs, die Induktivität und die Hilfskomponenten in einem winzigen Gehäuse mit den Abmessungen 6,25 × 6,25 × 5,02 Millimeter (mm) untergebracht.

Abbildung 3: Der µModule-Regler LTM4638 integriert viele der für einen Abwärtswandler erforderlichen Komponenten. (Bildquelle: Analog Devices)

Der LTM4638 verfügt über eine Reihe weiterer Merkmale, die die parasitären Verluste reduzieren. Dazu gehören:

• Schnelles Einschwingverhalten: Dies ermöglicht dem Regler eine schnelle Anpassung der Ausgangsspannung als Reaktion auf Änderungen der Last oder des Eingangs und minimiert die Dauer und die Auswirkungen von parasitären Verlusten durch schnelles Durchlaufen suboptimaler Betriebszustände.
• Diskontinuierlicher Betrieb: Dadurch kann der Induktionsstrom auf Null sinken, bevor der nächste Schaltzyklus beginnt. Diese Betriebsart wird in der Regel bei geringer Last verwendet und reduziert die Schalt- und Kernverluste in der Induktivität, indem sie diese für einen Teil des Zyklus stromlos macht.
• Ausgangsspannungsnachführung: Damit kann der Ausgang des Wandlers einer Referenz-Eingangsspannung folgen. Durch die präzise Steuerung des Hoch- und Runterfahrens der Ausgangsspannung verringert diese Funktion die Wahrscheinlichkeit von Über- oder Unterschwingern, die parasitäre Verluste verschlimmern können.

Minimierung parasitärer Parameter bei der Platzierung von Komponenten

Der Aufbau eines synchronen Abwärtswandlers mit dem LTM4638 erfordert das Hinzufügen von Eingangs- und Ausgangskondensatoren, C_IN bzw.C_OUT. Die Positionierung dieser Kondensatoren kann einen erheblichen Einfluss auf die parasitären Parameter haben.

Die Experimente von Analog Devices mit dem DC2665A-B-Evaluierungsboard für das LTM4638 veranschaulichen die Auswirkungen der C_IN-Positionierung.Das Board DC2665B-B hat dieses Board inzwischen ersetzt, aber es gelten dieselben Grundsätze. Die Abbildungen 4 bis 6 zeigen drei verschiedene Layouts für C_IN und die entsprechenden heißen Schleifen. Die vertikalen Hot Loops 1 (Abbildung 4) und 2 (Abbildung 5) platzieren C_IN auf der untersten Schicht, direkt unter dem Regler bzw. seitlich davon. Bei der horizontalen heißen Schleife (Abbildung 6) befindet sich der Kondensator auf der obersten Schicht.

Abbildung 4: Vertikale Hot Loop 1 in der Boden- und Seitenansicht. C_IN befindet sich direkt unterhalb des Reglers und ist über Durchkontaktierungen verbunden. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 5: Vertikale Hot Loop 2 in der Boden- und Seitenansicht. C_IN befindet sich unterhalb, aber neben dem Regler und erfordert Leiterbahnen und Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 6: Horizontale Hot-Loop-Ansicht von oben und von der Seite. C_IN befindet sich auf der obersten Schicht und ist über Leiterbahnen mit dem Regler verbunden. (Bildquelle: Analog Devices)

Die vertikale Hot Loop 1 hat den kürzesten Weg und vermeidet die Verwendung von Leiterbahnen auf der Platine. Daher würde man erwarten, dass sie die niedrigsten parasitären Parameter aufweist. Die Analyse der einzelnen Hot Loops mit FastHenry bei 600 kHz und 200 Megahertz (MHz) zeigt, dass dies der Fall ist (Abbildung 7).

Abbildung 7: Wie erwartet, wies der kürzeste Weg die geringste parasitäre Impedanz auf. (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert vom Autor)

Obwohl diese parasitären Parameter nicht direkt gemessen werden können, lassen sich ihre Auswirkungen vorhersagen und testen. Insbesondere sollte ein niedriger ESR zu einem höheren Wirkungsgrad führen, während ein niedriger ESL eine geringere Restwelligkeit zur Folge haben sollte. Die experimentelle Überprüfung bestätigte diese Vorhersagen, wobei die vertikale Hot Loop 1 bei beiden Messgrößen eine bessere Performance zeigte (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die Versuchsergebnisse bestätigen, dass die vertikale Hot Loop 1 einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere Restwelligkeit aufweist. (Bildquelle: Analog Devices)

Minimierung parasitärer Parameter für diskrete Komponenten

Obwohl integrierte Komponenten viele Vorteile bieten, erfordern einige Schaltnetzteile diskrete Komponenten. So kann beispielsweise eine Hochleistungsanwendung die Möglichkeiten integrierter Komponenten übersteigen. In solchen Fällen können die Platzierung und die Gehäusegröße der diskreten Leistungs-FETs die ESRs und ESLs der heißen Schleife erheblich beeinflussen. Diese Auswirkungen lassen sich anhand von zwei Testplatinen erkennen, die beide mit hocheffizienten synchronen 4-Schalter-Abwärtsreglern ausgestattet sind (siehe Abbildung 9):

• Das Evaluierungsboard DC2825A basiert auf dem Abwärtsregler LT8390. Seine MOSFETs sind parallel angeordnet, d. h. in der gleichen Ausrichtung.
• Das Evaluierungsboard DC2626A basiert auf dem Abwärtsregler LT8392. Es verfügt über zwei MOSFET-Paare, die im Winkel von 90˚ angeordnet sind.

Abbildung 9: Beim DC2825A (links) sind die MOSFETs parallel geschaltet, während sie beim DC2626A (rechts) in einem Winkel von 90˚ angeordnet sind. (Bildquelle: Analog Devices)

Die beiden Boards wurden mit identischen MOSFETs und Kondensatoren in einem 36-zu-12-Volt-Abwärtsbetrieb bei 10 A und 300 Kilohertz (kHz) getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die 90˚-Bestückung eine geringere Spannungswelligkeit und eine höhere Resonanzfrequenz aufwies, was auf eine geringere ESL der Leiterplatte aufgrund eines kürzeren Pfades der heißen Schleife hindeutet (Abbildung 10).

Abbildung 10: Das DC2626A mit seinem 90˚-MOSFET-Layout weist eine geringere Restwelligkeit und eine höhere Resonanzfrequenz auf. (Bildquelle: Analog Devices)

Weitere Überlegungen zum Layout

Die Platzierungen von Durchkontaktierungen in der heißen Schleife wirken sich ebenfalls auf die ESR und ESL der Schleife aus. Im Allgemeinen wird durch das Hinzufügen weiterer Durchkontaktierungen die parasitäre Impedanz der Leiterplatte verringert. Die Reduzierung ist jedoch nicht linear proportional zur Anzahl der Durchkontaktierungen. Durchkontaktierungen, die näher an den Anschlussflächen liegen, verringern ESR und ESL erheblich. Daher sollten mehrere Durchkontaktierungen in der Nähe der Anschlussflächen der kritischen Komponenten (C_IN und das µModule oder der MOSFETs) platziert werden, um die Impedanz der heißen Schleife zu minimieren.

Es gibt noch viele andere Möglichkeiten, die elektrische und thermische Leistung positiv zu beeinflussen. Zur Optimierung der heißen Schleife sind folgende Verfahren zu empfehlen:

• Verwenden Sie große Kupferflächen auf der Leiterplatte für Hochstrompfade, einschließlich V_IN, V_OUT und Masse, um Leitungsverluste und thermische Belastung der Leiterplatte zu minimieren.
• Legen Sie eine spezielle Erdungsschicht unter die Komponente.
• Verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen für die Verbindung zwischen der oberen und den anderen Versorgungslagen, um Leitungsverluste zu minimieren und die thermische Belastung des Moduls zu verringern.
• Platzieren Sie Durchkontaktierungen nicht direkt auf die Anschlussflächen, es sei denn, sie sind mit einer Kappe versehen oder überplattiert.
• Verwenden Sie für Komponenten, die an Signalpins angeschlossen sind, einen separaten Kupferbereich für die Signalmasse, der die Signalmasse mit dem Haupterdungspin unter der Komponente verbindet.
• Bringen Sie zur Überwachung Testpunkte an den Signalpins an.
• Halten Sie einen Abstand zwischen dem Taktsignal und den Frequenzeingangsleitungen ein, um die Möglichkeit von Rauschen aufgrund von Übersprechen zu minimieren.

Fazit

Die parasitären Parameter innerhalb der heißen Schleife beeinflussen die Performance eines Schaltnetzteils erheblich. Die Minimierung dieser Parameter ist entscheidend für einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe EMI.

Eine der einfachsten Möglichkeiten, diese Ziele zu erreichen, ist die Verwendung von integrierten Reglermodulen. Schaltnetzteile erfordern jedoch in der Regel die Verwendung von Massenkomponenten wie Kondensatoren, so dass es wichtig ist, die Auswirkungen von Hot-Loop-Anordnungen zu verstehen.