Powermodule sorgen für weniger Störemissionen

Natürlich ist es nicht möglich die physikalischen Gesetze zu umgehen. Gemäß den Maxwell-Gleichungen erzeugt jeder Wechselstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dies gilt für jeden elektrischen Leiter, der zudem naturgemäß eine gewisse elektrische Kapazität und Induktivität besitzt und damit einen Schwingkreis bildet. Dieser Schwingkreis strahlt mit einer bestimmten Frequenz von f = 1/(2π∙√(LC)) elektromagnetische Energie in die Umgebung ab. Damit fungiert der Stromkreis als Sender, kann aber umgekehrt auch elektromagnetische Energie aufnehmen und als Empfänger wirken. Antennen werden so ausgelegt, dass sie möglichst viel Energie abstrahlen beziehungsweise empfangen.

EMI-Quellen in Schaltnetzteilen

Allerdings ist diese Antennenwirkung keineswegs bei jeder Anwendung erwünscht, und es kann zu negativen Nebenwirkungen kommen. Abwärts wandelnde Schaltnetzteile zum Beispiel haben eigentlich nur den Zweck, eine elektrische Spannung in eine niedrigere Spannung zu verwandeln. Sie strahlen jedoch nebenbei auch elektromagnetische Wellen ab und können damit störend auf andere Applikationen einwirken und beispielsweise den Mittelwellenempfang beeinträchtigen. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Störaussendung beziehungsweise Interferenz (EMI) bezeichnet.

Zur Aufrechterhaltung der Funktionalität ist es wichtig, die EMI-Quellen zu minimieren. Das Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) hat hierzu Normen wie etwa CISPR 25 als Richtmaß für Automotive-Anwendungen und CISPR 22 für IT-Ausrüstungen definiert.

Wie aber kann man die Störaussendungen eines Stromversorgungsdesigns reduzieren? Eine Möglichkeit ist es, das komplette Schaltnetzteil mit einer Metall-Abschirmung zu versehen, was aber in den meisten Anwendungsfällen aus Platz- und Kostengründen nicht in Frage kommt. Besser ist es dagegen, mit reduzierenden und optimierenden Maßnahmen gleich an den EMI-Quellen anzusetzen. Zu diesem Thema, über das bereits viel geschrieben wurde, finden Sie am Schluss dieses Beitrags zwei Literaturhinweise.

Minimierung von Stromschleifen im Layout

Welches sind die wichtigsten EMI-Quellen in Schaltnetzteilen und wie lässt sich das EMI-Aufkommen durch den Einsatz von Powermodulen reduzieren? Schaltnetzteile schalten mit einer Frequenz, die zwischen einigen hundert Kilohertz und einigen Megahertz liegen kann, die Eingangsspannung ein und aus, was zu steilen Strom- und Spannungsflanken (dI/dt beziehungsweise dV/dt) führt. Gemäß den eingangs erwähnten Maxwell-Gleichungen erzeugen die wechselnden Ströme und Spannungen elektromagnetische Wechselfelder, die sich von ihrem Entstehungsort aus radial ausbreiten und mit zunehmender Entfernung schwächer werden.

Magnetische und elektrische Felder wirken auf leitende Teile einer Applikation ein (zum Beispiel auf Leiterbahnen auf Leiterplatten, die wie Antennen wirken) und erzeugen zusätzliche Störungen in den Leitungen, die ihrerseits wieder EMI erzeugen (Bild 1). Da hier mehrere Watt Leistung umgewandelt werden, breiten sich die Störaussendungen in einem größeren Umkreis aus. Das Ausmaß der abgestrahlten Energie ist direkt proportional zur Stromstärke (I) und zur Fläche (A) der Schleife, in der der Strom fließt. Folglich trägt es zur EMI-Reduzierung bei, wenn die Fläche der Strom- und Spannungsschleifen verringert wird (Bild 2 und 3).

Thema der nächsten Seite: Erstellen eines guten Layouts

Ein Blick auf die Anschlussbelegung (Bild 4) vermittelt einen Eindruck von den Möglichkeiten zum Erstellen eines guten Layouts, indem man die Fläche von Schleifen mit steilen Spannungsflanken minimiert. Am Schaltknoten zum Beispiel kommen starke Strom- und Spannungsänderungen (dI beziehungsweise dV) vor. Bei einer überlegt gewählten Anschlussbelegung werden störempfindliche Pins von solchen mit hohem Störaufkommen ferngehalten. Der Schaltknoten und der Boot-Pin etwa sollten so weit wie möglich vom störempfindlichen Feedback-Pin platziert sein. Darüber hinaus ist es sinnvoll, Eingangs- und Massepins nebeneinander anzuordnen, denn dies macht das Routing der Leiterplatte und die Platzierung der Eingangskondensatoren einfacher.

Bild 5 zeigt das modifizierte Evaluation-Modul (EVM) für den Simple-Switcher-Wandler LMR23630. Die beiden Eingangskondensatoren sind etwa 2,5 cm vom Eingangspin entfernt angeordnet, um ein schlechtes Layout zu simulieren. Die Fläche der Stromschleife (rotes Rechteck in Bild 5) ist größer als notwendig und als im Datenblatt empfohlen. Der Schaltknoten zwischen Wandler und Induktivität ist in Bild 5 mit einem roten Oval markiert. Die Schleifenfläche zwischen IC und Induktivität wurde auf ein Minimum reduziert.

Das Diagramm in Bild 6 zeigt die abgestrahlten elektromagnetischen Störaussendungen des Wandlers LMR23630, wobei nur die Schleifenfläche zwischen V_IN, GND und Eingangskondensator abweicht. In einem guten Layout sind die Kondensatoren so nah wie möglich an den Eingangs- und Massepins angeordnet (das heißt, die Schleifenfläche ist so klein wie möglich). In dem gezeigten schlechten Layout dagegen befinden sich die Eingangskondensatoren in 2,5 cm Entfernung vom Eingangspin, sodass eine große Schleifenfläche entsteht.

Die rote Kurve in Bild 6 zeigt die abgestrahlte EMI für das mangelhafte Layout, während die blaue Kurve für ein gutes Layout mit dem gleichen EVM gilt. Schon das Ändern der Fläche nur einer Schleife hat enorme Auswirkungen. Im vorliegenden Fall konnten die abgestrahlten elektromagnetischen Störaussendungen des LMR23630 um über 20 dbµV/m vermindert werden.

Beim Design mit einem Abwärts-Wandler oder einem Abwärts-Powermodul sollte deshalb die Platzierung der Eingangskondensatoren die erste Überlegung sein. Powermodule haben außerdem den Vorteil, dass die Fläche der kritischen Schleifen zwischen IC und Induktivität bereits optimiert ist, denn beide sind innerhalb des Moduls miteinander verbunden (Bild 7), was zu einer sehr geringen Schleifenfläche führt. Die meisten in Powermodulen verwendeten Induktivitäten sind zusätzlich abgeschirmt, damit keine elektromagnetische Strahlung aus der Spule kommt. Die steilen Strom- und Spannungsflanken treten sehr nah an der Induktivität auf, und ein Teil des vom Schaltknoten emittierten elektromagnetischen Felds wird abgeschirmt, wenn sich die Induktivität über dem Leadframe befindet, wie in Bild 7 gezeigt.

Thema der nächsten Seite: Steile Strom- und Spannungsflanken

Steile Flanken können zu Oszillationen am Schaltknoten führen, was wiederum Störemissionen erzeugt. In einigen Fällen ist am Wandler der Boot-Pin herausgeführt. Indem man einen Widerstand mit dem Boot-Kondensator in Reihe schaltet, erhöht man die Anstiegszeit (dt), was die EMI verringert – wenn auch auf Kosten eines geringeren Wirkungsgrads.

In Bild 8 ist eine Aufnahme der Störemissionen des LMR23630 EVM  zu sehen. Indem die Eingangskondensatoren in 2,5 cm Entfernung von den Pins platziert sind, wurde ein mangelhaftes Layout simuliert, um zu zeigen, wie sich die Platzierung eines Boot-Kondensators auf das EMI-Verhalten auswirkt. Möglicherweise ist es einfacher, ein Design durch einen zusätzlichen Boot-Kondensator zu ergänzen, als das Layout komplett abzuändern. Es ist empfehlenswert für den Fall der Fälle stets einen Boot-Kondensator im Design einzuplanen. Sollte er nicht benötigt werden, kann an seiner Stelle ein 0-Ohm-Widerstand in die Leiterplatte eingebaut werden.

Wird ein Boot-Widerstand mit dem Boot-Kondensator in Reihe geschaltet, führt dies zu einem geringeren EMI-Spektrum. In einigen Frequenzbereichen verringern sich die Emissionen um bis zu 6 dB. Bild 8 macht auch die Beeinträchtigung des Wirkungsgrads deutlich: Durch eine Verlängerung der Anstiegszeit mit einem 30,1-Ohm-Widerstand erhöht sich der Wirkungsgrad um mehr als 1 Prozent. Noch klarer wird dies durch einen Blick auf die Verluste, die bei Volllast (3 A) von 1,9 auf 2,1 W ansteigen. Diese Zunahme um mehr als 10 Prozent kann kritisch sein und zu thermischen Problemen führen.

Bei Synchronwandlern lassen sich die Stromschwingungen am Schaltknoten verringern, indem man eine kleine Schottkydiode zwischen dem Schaltknoten-Pin und einem Masseanschluss platziert und so den Sperrverzögerungsstrom verringert – wenn auch auf Kosten eines höheren Bauteileaufwands. Ebenso kann zwischen Schaltknoten und Masse ein Snubber-Netzwerk platziert werden, das aus einem Kondensator und einem Widerstand (jeweils mit großem Gehäuse) besteht. Der Snubber dissipiert die Energie der Oszillationen am Schaltknoten, setzt aber die Kenntnis der genauen Schwingfrequenz voraus und erfordert die korrekte Berechnung der zusätzlichen Bauelemente. Außerdem geht er ebenfalls zu Lasten des Wirkungsgrads des Schaltnetzteils.

Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten in den Strompfaden

Bei synchronen Abwärtswandlern tragen die verschiedenen IC-Architekturen auf unterschiedliche Weise zu den Störungen bei, die sich als abgestrahlte Störemissionen äußern. Aus einem Datenblatt lässt sich diesbezüglich jedoch nur wenig entnehmen. Tatsächlich sucht man in den meisten Datenblättern vergeblich nach einem EMI-Diagramm, denn auch das Leiterplatten-Layout, die verwendeten Bauelemente und weitere Faktoren beeinflussen das EMI-Verhalten. Wenn man Glück hat, enthält das Benutzerhandbuch des EVM ein Diagramm zum EMI-Verhalten des betreffenden Designs. Sobald aber das Design in Bezug auf Layout und Stückliste vom EVM abweicht, können sich seine EMI-Eigenschaften drastisch von jenen des EVM unterscheiden. Powermodule vereinfachen das Layout und ermöglichen ein schnelles und einfaches Design, da es nur wenige Faustregeln zu beachten gilt. So ist es beispielsweise erstrebenswert, Leiterbahnen oder Einschnitte in der Massefläche auf ein Minimum zu beschränken. Lässt sich dies nicht realisieren, so sollten sie parallel zum Stromfluss angeordnet werden (Bild 9).

Störempfindliche Knoten sind vor Knoten mit hohem Störaufkommen zu schützen

Störempfindliche Knoten sollten so kurz wie möglich sein und von Knoten mit hohem Störaufkommen ferngehalten werden. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht hierzu. Zum Beispiel kann eine lange Leiterbahn zwischen dem Widerstandsteiler-Netzwerk und dem Feedback-Pin (FB) wie eine Antenne wirken und woanders abgestrahlte elektromagnetische Störaussendungen empfangen (Bild 10). Hierdurch gelangen die Störungen in den FB-Pin, was zu zusätzlichen Störungen am Ausgang führen und den gesamten Baustein instabil machen kann. Alle diese Aspekte bei der Ausarbeitung des Layouts für einen geschalteten Abwärtsregler in Betracht zu ziehen, kann eine echte Herausforderung sein.

Powermodule haben den Vorteil, dass bei ihnen sowohl die störempfindlichen Knoten als auch die Knoten mit hohem Störaufkommen auf ein Minimum reduziert sind, was die Chance, sich für ein falsches Layout zu entscheiden, minimiert. Es ist nur noch notwendig, die zum FB-Pin führenden Leiterbahnen kurz zu halten.

Zwischenbilanz

Zur Feinabstimmung des EMI-Aufkommens von Abwärts-Schaltreglern stehen viele Stellschrauben zur Verfügung. Möglicherweise reicht es aber nicht aus, sich an bewährte Verfahrensweisen zu halten. Auf jeden Fall verschlingt das Ermitteln der besten Konfiguration beim Design eine Menge wertvoller Zeit. Da Powermodule sowohl die FETs als auch die Induktivität enthalten, gestaltet sich das Erstellen und Finalisieren eines Stromversorgungsdesigns mit guten EMI-Eigenschaften mit ihnen schnell und einfach. Der kritischste Aspekt beim Design mit einem Abwärtswandler-Modul ist das Platzieren einiger weniger externer Bauelemente, was entscheidend zur Verbesserung des EMI-Verhaltens beitragen kann.

Thema der nächsten Seite: Vergleich der EMI-Eigenschaften von Wandler und Powermodul

EMI-Quellen in Schaltnetzteilen und wie sich diese eindämmen lassen, war Thema der vorangegangenen Abschnitte. Als nächstes geht es darum, auf welche Weise Module zur Reduzierung der abgestrahlten Störemissionen beitragen können. Dazu werden Messungen verglichen, die mit einem Wandler und einem Powermodul auf der Basis des gleichen IC durchgeführt wurden. Beide entstammen der Simple-Switcher-Reihe von Texas Instruments (TI). Der Wandler ist vom Typ LMR23630 und wird auch im Powermodul LMZM33603 eingesetzt. Die EVMs beider Bauelemente wurden teilweise abgeändert, um den gleichen Bauteileaufwand zu erhalten und dafür zu sorgen, dass die Ergebnisse ausschließlich vom verwendeten Bauteil (Wandler oder Powermodul) sowie dem Layout abhängen. Beide EVMs weisen ein gutes, optimiertes Layout auf. Im Nachgang wurde das Layout absichtlich verschlechtert, indem die Kondensatoren in größerer Entfernung von den Eingangspins angeordnet wurden.

Leistungsfähigkeit des Wandlers LMR23630

In Bild 11 sind vier verschiedene EMI-Spektren unterschiedlicher Design-Layouts zu sehen. Das Design wird dabei schrittweise schlechter (ähnlich wie in Bild 5, nur eben Schritt für Schritt). Die erste Messung (gutes Layout: blaue Kurve) bezieht sich auf das unmodifizierte, gute Layout des EVM, bei dem alle Eingangskondensatoren nah am Eingangspin angeordnet sind. Bei der zweiten Messung (rote Kurve) befinden sich die beiden 4,7-µF-Kondensatoren in 2,5 cm Entfernung vom Eingangspin, während der kleine 0,22-µF-Kondensator nach wie vor nah am Eingangspin platziert ist. Für die dritte Messung (grüne Kurve) wurde der kleine Kondensator in 2,5 cm Entfernung angeordnet, und bei der vierten Messung (violette Kurve) entfiel dieser Kondensator ganz.

Aus Bild 11 geht klar hervor, wie wichtig die Platzierung der Eingangskondensatoren ist. Wird der kleine Kondensator in größerer Entfernung vom Eingangspin platziert oder ganz weggelassen, sind die Bedingungen der Norm CISPR 22 Klasse A3M nicht mehr erfüllt. Bei geringer Distanz zwischen dem kleinen Eingangskondensator und dem Eingangspin wird die Schleifenfläche für hohe Frequenzen minimiert. Während der kleine Kondensator hohe Frequenzen filtert, wirken die Kondensatoren mit größerer Kapazität als Filter für niederfrequentere Störungen.

Leistungsfähigkeit des Powermoduls LMZM33603

Powermodule verfügen meist über einen eingebauten kleinen Eingangskondensator. Das in Bild 12 gezeigte EVM-Layout wird ebenfalls schrittweise verschlechtert. Die blaue Kurve zeigt auch hier das EMI-Verhalten des unveränderten Layouts. Die rote und die grüne Kurve geben das Verhalten des schlechteren Layouts wieder, eines davon mit zwei 4,7-µF-Kondensatoren an der Unterseite der Leiterplatte. Bei der grünen Kurve befinden sich die Kondensatoren in ungefähr 3,5 cm Entfernung von den Eingangspins (markiert durch das rote Oval in Bild 13). Zusätzlich zeigt die dicke rote Linie in Bild 13 das modifizierte EVM und die kritische Schleifenfläche zwischen V_IN, den Eingangskondensatoren und der Masse. Zwar verschlechtern sich die EMI-Eigenschaften auch hier, bleiben aber im Rahmen der Norm CISPR 22 Klasse A3M.

Powermodule verzeihen Layoutfehler

Bild 14 stellt die Eigenschaften des Wandlers LMR23630 (rote Kurve) und des Powermoduls LMZM33603 (blaue Kurve) in einem gemeinsamen Diagramm gegenüber. Beide Lösungen weisen ein schlechtes, aber vergleichbares Layout auf, bei dem alle Eingangskondensatoren in großer Entfernung von den Eingangspins platziert sind.

Es ist klar zu sehen, dass die EMI-Performance des Powermoduls LMZM33603 besser ist als die des LMR23630. Keines der Layouts ist perfekt, aber das Powermodul würde die CISPR-Prüfung im Gegensatz zum Wandler bestehen.

Als weitere Lektüre über gutes Layout zur Eindämmung von elektromagnetischen Störaussendungen empfehle ich die Applikationsberichte AN-2155 „Layout Tips for EMI Reduction in DC/DC Converters” und AN-643 „EMI/RFI Board Design”.

(ah)