Getaktete Spannungsversorgungen einfach entwickeln

Das Leiterplattenlayout entscheidet über den Erfolg einer Stromversorgung, da es das funktionelle und thermische Verhalten sowie die elektromagnetischen Störaussendungen (EMI) bestimmt. Und obwohl insbesondere letzteres keine schwarze Magie ist, finden wichtige Layoutkriterien im Entwicklungsprozess oft viel zu spät die nötige Beachtung. Halten Entwickler von Anfang an bewährte Entwurfsrichtlinien ein, lassen sich EMV-Risiken vermeiden und damit emissionsarme („leise”) wie auch stabile Stromversorgungen realisieren.

Die Leistungsfähigkeit von Abwärtswandlern steigern

Bild 1: Eine der grundlegendsten Stromversorgungstopologien ist die Abwärtstreglerschaltung. Störaussendungen gehen von den Schleifen mit steilen Stromschaltflanken (di/dt) aus. Analog Devices

Weil es vielen Firmen an Entwicklern für ihre Stromversorgungen mangelt und sich auch immer mehr Digitalentwickler mit der Entwicklung von Schaltnetzteilen befassen müssen, bespricht dieser Beitrag Eigenarten von Abwärtswandlern und stellt einen optimierten Baustein vor, der viele Problemlösungen bereits integriert hat. Es geht dabei um die Vermeidung von steilen Stromschaltflanken (di/dt) und parasitären Induktivitäten in den kritischen Schaltungsbereichen (Hot Loops), elektromagnetische Störemissionen sowie Überschwingen beim Schaltvorgang (Ringing).

Analog Devices (ADI) stellt die Silent-Switcher-Technologie von Linear vor, gibt Einblicke in den Aufbau und zeigt, wie sich damit EMI-Probleme vermeiden lassen. Bausteine dieser Familie steigern durch hohe Integrationsdichte die Leistungsfähigkeit von Abwärtswandlern. Sie sind gut mit den Micromodule-Reglern von ADI kombinierbar und stellen für Schaltungsdesigner mit weniger Erfahrung über die Entwicklung von getakteten Spannungsversorgungen eine einfache und leicht handhabbare Lösung dar.

Eigenschaften eines Abwärtsschaltreglers

Eine der grundlegendsten Stromversorgungstopologien ist die Abwärtstreglerschaltung (Buck Regulator) gemäß Bild 1. Störaussendungen gehen von den Schleifen mit steilen Stromschaltflanken (di/dt) aus. Die Lastströme auf den Eingangs- wie auch Ausgangsleitungen sollten frei von Wechselstromanteilen sein. Alle relevanten AC-Anteile nach dem Eingangskondensator C2 glättet der Ausgangskondensator C1, wo idealerweise alle Wechselströme enden.

Während der On-Periode mit durchgeschaltetem M1 und geöffneten M2 fließt der Ladestrom in der blau gekennzeichneten Schleife. Während der Off-Periode mit offenem M1 und durchgeschaltetem M2 folgt der Entladestrom der grün gestrichelten Schleife. Häufig ist es schwierig zu verstehen, dass die Schleife, welche die höchste Emission erzeugt, weder die blaue noch die gestrichelt grün gezeichnete Schleife ist. Nur in der rot gestrichelten Schleife kann es aufgrund von unerwünschten Schaltübergangseffekten zwischen M1 und M2 zu hohen Spitzenstromimpulsen kommen. Diese kritische Leiterschleife (Hot Loop) verursacht die stärkste Störaussendung.

Eine hohe Stromflankensteilheit di/dt sowie parasitäre Leitungsinduktivitäten erzeugen in dieser kritischen Schleife des Schaltreglers elektromagnetische Störemissionen und Überschwingen (Ringing) beim Umschalten. Für eine bessere Funktionalität ist die Abstrahlung der rot gestrichelten Schleife maximal zu verringern. Wäre es möglich, die Leiterplattenfläche der rot gestrichelten Schleife auf null zu reduzieren und gäbe es einen idealen Kondensator mit einer Impedanz von Null, dann wäre das Problem gelöst. In der Praxis muss der Entwickler jedoch einen geeigneten Kompromiss finden.

Dem HF-Rauschen den Garaus machen

In Elektronikschaltungen erzeugen Umschaltvorgänge aufgrund von parasitären Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten hochfrequente harmonische Oberwellen. Wenn nun bekannt ist, wo das Rauschen entsteht, welche Maßnahmen können es verringern? Die klassische Methode um hochfrequentes Rauschen zu reduzieren sind langsamere, flacher verlaufende MOSFET-Schaltflanken. Das erreicht ein langsamerer interner Schaltertreiber oder die Beschaltung mit externen Dämpfungskondensatoren (Snubber).

Solche Kunstgriffe gehen jedoch zu Lasten der Effizienz des Wandlers aufgrund erhöhter Schaltverluste, insbesondere dann, wenn der Schaltwandler mit einer hohen Schaltfrequenz um 2 MHz arbeitet. Warum dann mit solch hoher Taktfrequenz arbeiten? Zum einen bedeuten hohe Schaltfrequenzen bei den externen Bauteilen wie Kondensatoren und Induktivitäten kleinere Bauteilwerte und damit kleinere Abmessungen – jede Frequenzverdopplung halbiert die Bauteilgröße. Zum anderen hält eine Schaltfrequenz von 2 MHz in Automotive-Anwendungen das Rauschen vom AM-Band (Mittelwelle, 530 kHz bis 1,8 MHz) fern.

Damit dennoch keine ungedämpften Harmonischen die hohen EMI-Anforderungen im AM-Band verletzen, vermindert eine Breitband-Frequenzmodulation (SSFM) zusätzlich Emissionen, indem sie die abgestrahlte HF-Energie auf ein breiteres Frequenzband verteilt und damit wesentlich verringert. Zuletzt bewirken auch Filter und mechanische Schirmungen eine Verringerung der EMI, doch entstehen dadurch Kosten für zusätzliche Bauteile und Leiterplattenfläche.

Bild 2: Veränderungen der inneren Schaltungsstruktur und des Pinings machen aus dem LT8610 den Silent Switcher LT8614. Analog Devices

Silent Switcher der ersten Generation

Alternativ erfüllt die Silent-Switcher-Technologie alle genannten Punkte und erreicht mit großen Schaltfrequenzen eine hohe Effizienz bei geringer elektromagnetischer Störaussendung. Ein Silent Switcher beseitigt den Kompromiss zwischen Störaussendung und Effizienz, denn verlangsamte Schaltflanken sind nicht notwendig. Wie dies erreichbar ist, zeigt das Beispiel des LT8610. Dabei handelt es sich um einen synchronen Abwärtswandler für eine Eingangsspannung von 42 V, der einen Ausgangsstrom von bis zu 2,5 A liefern kann.

Gegenüber dem LT8610 verfügt der LT8614 (ein synchroner Abwärtswandler für 42 V Eingangsspannung und 4 A Ausgangsstrom) jedoch über zwei V_IN-Pins und zwei GND-Pins, jeweils an gegenüberliegenden Seiten des ICs. Dieses Merkmal trägt signifikant zum emissionsarmen (leisen) Schalten bei. Durch zwei Eingangskondensatoren an gegenüberliegenden Seiten des Chips zwischen den Versorgungs- und Massepins lassen sich die Magnetfelder kompensieren (Bild 3).

Bild 3: Die symmetrische Aufteilung und Anordnung der VIN- sowie GND-Pins an gegenüberliegenden IC-Seiten kompensieren zusammen mit den Filter-Kondensatoren Magnetfelder und verbessern die EMV.



Analog Devices

LT8614 – ein emissionsarmer Switcher

Anstelle von langen Bonddrähten, die parasitäre Widerstände und Induktivitäten hervorrufen, verbindet die Silent-Switcher-Architektur interne Chipsubstrate (Die) mit zylinderförmigen Kupfersäulen (copper pillar), wodurch sich die parasitäre Gehäuse-Induktivität verringert. Darüber hinaus sind die V_IN– und GND-Pins des LT8614 symmetrisch an den gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordnet und jeweils mit einem Kondensator beschaltet. Dadurch kompensieren sich die Magnetfelder der kritischen Schaltungsbereiche und auch die Störaussendung geht deutlich zurück.

Zum Vergleich des LT8614 in Silent-Switcher-Technologie kommt der LT8610 als Schaltregler nach aktuellem Stand der Technik in Betracht. Die relevanten Tests erfolgten in einer GTEM-Zelle (Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell) mit identischer Last, Eingangsspannung und gleich großer Induktivität an Standard-Demoboards für beide Bauteile.

Während der LT8610 bereits ein sehr gutes EMI-Verhalten aufweist, konnte der LT8614 speziell im schwieriger beherrschbaren hochfrequenten Bereich mit einer Verringerung der Emission um 20 dB aufwarten. Dies ermöglicht einfachere und kompaktere Schaltungen, in denen der LT8614 gegenüber anderen empfindlichen Systemen einen geringeren Filteraufwand erfordert. Darüber hinaus zeigt der LT8614 im Zeitbereich saubere Signalflanken in den Schaltvorgängen.

Bild 4: Die elektromagnetischen Störemissionen beim LT8614 liegen deutlich unter dem Grenzwert der Klasse 5 gemäß CISPR25. Analog Devices

Störaussendungen weiter verringern

Trotz der Leistungsfähigkeit des LT8614 hat ADI in einer Weiterentwicklung den Abwärtsregler LT8640 in Silent-Switcher-Architektur hervorgebracht, um die Störaussendung zu minimieren und gleichzeitig eine hohe Effizienz bei Frequenzen bis 3 MHz zu erreichen (Bild 4).

Untergebracht in einem QFN-Gehäuse mit 3 × 4 mm² Grundfläche, repräsentiert der monolithische Aufbau mit integrierten Leistungsschaltern und allen notwendigen Schaltkreisen eine Lösung mit minimalem Platzbedarf. Das Einschwingverhalten des LT8640 ist nach wie vor ausgezeichnet, die Restwelligkeit der Ausgangsspannung liegt unter 10 mV_SS bei jeder Last – von Null bis zum maximalen Strom. Der LT8640 wandelt hohe Eingangs- in niedrige Ausgangsspannungen bei hoher Frequenz und ermöglicht eine kurze Mindesteinschaltzeit von 30 ns.

Um die Störaussendung zu verringern, kann der LT8640 mit Breitband-Frequenzmodulation arbeiten. Dieser SSFM-Modus (Spread Spectrum FM) verwendet eine dreiecksförmige Frequenzmodulation, um die Schaltfrequenz zwischen dem durch R_T programmierten Wert und einem um etwa 20 Prozent höheren Wert zu variieren. Die Modulationsfrequenz beträgt dabei etwa 3 kHz.

Ist der LT8640 zum Beispiel auf 2 MHz konfiguriert, verändert sich die Frequenz von 2 auf 2,4 MHz bei einer Modulationsfrequenz von 3 kHz. Im Breitbandbetrieb ist der Burst-Mode deaktiviert und der Regler geht entweder in den Pulse-Skipping- oder in den erzwungenen kontinuierlichen Modus (Forced Continuous Conduction Mode).

Trotz Datenblattempfehlungen für ein Platzierung der Eingangskondensatoren dicht am IC, missachteten das viele Anwender, sodass die In-House-Ingenieure von ADI viel Zeit damit verbrachten, Leiterplattenlayouts der Kunden zu korrigieren. Daraus erwuchs die Silent-Switcher-2-Architektur.

Bild 5: Als Silent Switcher 2 (Index „S“) besitzt der Abwärtsschaltwandler LT8640S interne Kondensatoren und ermöglicht damit eine höhere Integrationsdichte. Analog Devices

Silent Switcher 2 ist noch besser

Die zweite Generation der Schaltwandler minimiert parasitäre Leiterbahneffekte und integriert sämtliche Kondensatoren in einem neuen LQFN-Gehäuse, was eine Platzierung dieser Komponenten dicht am Siliziumchip sicherstellt. Zudem befinden sich alle Hot Loops sowie Masseflächen des Schaltkreises im Gehäuseinneren, was zusammengenommen die elektromagnetischen Störemissionen deutlich reduziert. Zudem sparen weniger externe Bauteile Grundfläche ein und eliminieren so auch die Empfindlichkeit des Leiterplattenlayouts. Bild 5 zeigt die Unterschiede in der Integrationsdichte zwischen LT8640 und LT8640S.

Silent Switcher 2 bietet ein besseres thermisches Verhalten als der Vorgänger. Die großen mit Massepotenzial verbundenen Pads am LQFN-Flip-Chip-Gehäuse führen innere Wärme schneller an die Leiterplatte ab. Durch die Eliminierung der hochohmigen Bonddrähte erreichen Silent-Switcher-2-Bausteine eine höhere Effizienz. Der LT8640S erreicht die Emissionsgrenzwerte nach CISPR 25 (Class 5) mit Leichtigkeit.

Die Silent-Switcher-Technologie wird von ADI nun auch in die Micromodule-Regler eingebunden. Bei diesem Formfaktor ist alles in einem einzigen Gehäuse integriert, was Anwendern Einfachheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und hohe Leistungsdichte bietet. Bei den Bauteilen LTM8053 und LTM8073 handelt es sich um Micromodule-Regler, bei denen praktisch alles integriert ist. Extern sind lediglich einige wenige Kondensatoren und Widerstände erforderlich.

In Abwärtswandler-ICs mit Silent-Switcher-Technologie hat ADI viele wichtige Schaltungsmaßnahmen integriert, was unnötige Entwicklungsschleifen vermeidet und ohne langjährige Erfahrung schnell zu effizienten und stabilen Stromversorgungen führt.

(jwa)