Rezepte für optimales Schaltnetzteil-Layout

Auf ganz ähnliche Weise kann ein scheinbar unbedeutendes Problem im Layout des Netzteils Folgewirkungen auf das gesamte System haben und die ganze Schaltung ruinieren. Wer über keine praktische Erfahrung im Design analoger Schaltungen verfügt, mag dies mit dem Argument, es gehe hier schließlich „nur“ um das Netzteil, an den unerfahrensten Designer im Team übertragen. Dies aber ist nicht ungefährlich. Auch ein erfahrener Architekt wird schließlich nicht sparen, wenn es um die einwandfreie Statik eines Gebäudes geht – speziell wenn es um das Fundament geht. Ebenso wird ein kundiger Analog-Designer die Bedeutung einer stabilen Stromversorgung und Masse nicht unterschätzen, die schließlich das Fundament einer solide funktionierenden Schaltung bilden.

Bild 1: Ansicht des bei einem Erdbeben zerstörten Präsidentenpalastes von Haiti.Maxim Integrated

In Anbetracht der entscheidenden Rolle, die einem guten Fundament zukommt, gibt dieser Beitrag nützliche Hinweise zu den Themen Stromversorgung und Erdung sowie zum Leiterplatten- und System-Layout. Angesprochen werden Dinge wie die Stromversorgung an sich, zentrale Massepunkte und die Stromversorgungs-Entkopplung für mehrere Frequenzen. Darüber hinaus wird gezeigt, wie sich die Platzierung der Bauelemente so dirigieren lässt, dass Schleifen, in denen hohe Schaltströme fließen, eine möglichst geringe Fläche umschließen.

Bild 2: Kleinste Risse im Fundament als Vorboten katastrophaler Auswirkungen. Maxim Integrated

Generelle Fehler beim Leiterplatten-Layout

a) Rauschen ausfiltern

Ein ideales Netzteil verwandelt den Wechselstrom, der über das öffentliche Netz an private Haushalte und Gewerbegebäude und damit an unzählige elektronische Geräte gelangt, in den von den elektronischen Schaltungen benötigten Gleichstrom. Im Idealfall weist der Gleichstrom kein Rauschen auf und ist frei von Welligkeiten oder Oberschwingungen aus dem Wechselstromnetz. Auch die Masse, die als Bezugspotenzial für die Gleichstromversorgung dient, ist dann absolut rein und frei von Störungen. Soweit der Idealzustand. Als Ingenieur lernt man allerdings schnell, dass die reale Welt alles andere als ideal ist und dass man all sein Wissen und Können ins Spiel bringen muss, um trotz der nicht-idealen Verhältnisse die gewünschten Resultate zu erzielen.

Bild 3: Stromkompensierte Drossel als Netzfilter.Maxim Integrated

Zunächst gilt es die Einsatzumgebung zu verstehen und sich der Tatsache bewusst zu werden, dass häufig hochfrequente Störbeeinflussungen von externen Sendern vorhanden sind. Dies können unter anderem digitale Schaltungen sein, die sich auf derselben Leiterplatte befinden. Beim Anschluss an das Wechselstromnetz ist oft ein Filter wie in Bild 3 wünschenswert. Dieses Filter schützt das Gerät von beiden Seiten. Es muss geprüft werden, ob das Gerät Störungen aussendet und ob es umgekehrt empfindlich gegenüber Störungen ist, die von außen eingestreut werden. Das Filter verhindert einerseits, dass Störgrößen aus dem Stromnetz in das Gerät gelangen, und sorgt andererseits dafür, dass auch das Gerät selbst keine Störgrößen in das Netz abgibt.

 b) Zentrale Massepunkte reduzieren das Rauschen

Generell gilt, dass mehrlagige Leiterplatten mit großen Stromversorgungs- und Masseflächen die beste Signalintegrität ergeben.

Bild 4: Ground-Bounce-Fehler in einem System. Die Rückströme werden hier nicht einzeln von jedem Schaltungsteil zum zentralen Massepunkt geführt. Maxim Integrated

Es ist sinnvoll, mit zentralen Massepunkten am Chassis und auf jeder Leiterplatte zu beginnen. Einige unerfahrene Anwender halten die Masse für so etwas wie einen magischen Ort, an dem alle Störungen und unliebsamen Dinge verschwinden. Gelegentlich wird tatsächlich mit einem zentralen Massepunkt begonnen, doch anschließend versäumt man es, jeden Schaltungsteil einzeln mit diesem Massepunkt zu verbinden. Bild 4 verdeutlicht diesen Fehler und zeigt, dass mit einer 5-V-Stromversorgung und einem zentralen Massepunkt begonnen wird. Die digitalen Schaltungen mit ihrem hohen Störaufkommen lassen das Rauschen auf der +5-V-Leitung und auf dem Massepotenzial ansteigen. Es ist bekannt, dass eine analoge Schaltung eine saubere Versorgungsspannung von +3,3 V benötigt. Anstatt nun aber separate Leitungen zur +5-V-Stromversorgung und zur Masse zu verlegen, werden wir nachlässig, denn man benötigt schließlich nur einen Low-Dropout-Regler (LDO), um aus den +5 V eine saubere Spannung von +3,3 V zu machen. Zumindest glauben wir das. Tatsächlich aber erzeugt der LDO eine Spannung, die um exakt 3,3 V über seinem Bezugspotenzial (seiner Masse) liegt. Wenn also das Massepotenzial so schwankt, wie es der rote Pfeil in der Abbildung zeigt, und wenn der LDO korrekt funktioniert, schwankt der +3,3-V-Ausgang entsprechend dem Ground Bounce. Hier muss man sich die Frage stellen: Wieviel Zeit soll in die Fehlerbeseitigung investiert werden, nur weil wir es versäumt haben, für die analogen und digitalen Schaltungen separate Leitungen zu den zentralen Stromversorgungs- und Massepunkten zu verlegen? Eine bessere Möglichkeit, den analogen Schaltungsteil anzuschließen, zeigt Bild 5.

Bild 5: Korrekte Verbindung mit den zentralen Stromversorgungs- und Massepunkten (die hier als rauschfrei angenommen werden).Maxim Integrated

 c) Entkopplung des Netzteil-Rauschens

Die in Bild 5 zugrunde gelegte Annahme, dass die zentralen Stromversorgungs- und Massepunkte frei von Rauschen sind, bedeutet, dass Stromversorgung und Masse an diesen Punkten homogen sind und dass kein differenzielles Rauschen zwischen beiden existiert. Im Idealfall weist der Ausgang des Netzteils eine Impedanz von nahezu null auf oder ist mit Entkopplungs-Kondensatoren bestückt, die bei den relevanten Frequenzen einen geringen effektiven Serienwiderstand (ESR) aufweisen. Die Leitungen, über die die einzelnen Schaltungsteile mit den zentralen Stromversorgungs- und Massepunkten verbunden sind, haben einen gewissen Serienwiderstand und eine bestimmte Induktivität. Dieser Serienwiderstand und diese Induktivität wird genutzt, um die rauschbehafteten Schaltungen von den sauberen Schaltungen zu isolieren. Zusammen mit den Entkopplungs-Kondensatoren am Ausgang jeder Schaltung bilden der Serienwiderstand und die Induktivität hier einen Tiefpassfilter. Sollten die Leitungen zu bestimmten Schaltungsteilen allerdings relativ kurz sein, müssen möglicherweise diskrete Widerstände und Induktivitäten hinzugefügt werden.

Bild 6: Diese Ersatzschaltung eines realen Kondensators zeigt die parasitären Komponenten.Maxim Integrated

Die Entkopplung gestaltet sich schwierig, weil Kondensatoren eine Streuinduktivität aufweisen. Ein realer Kondensator stellt sich wie eine Serienschaltung aus einem Widerstand, einer Induktivität und einem Kondensator dar (Bild 6). Bei niedrigen Frequenzen dominiert die Kapazität. Oberhalb der Eigenfrequenz (Self-Resonant Frequency – SRF) jedoch geben die Einkerbungen in den Kurven in Bild 7 den Punkt an, von dem an der Kondensator wie eine Induktivität wirkt. Für Entkopplungszwecke kann ein Kondensator also nur in einem Frequenzbereich eingesetzt werden, der in der Nähe oder unterhalb seiner Eigenfrequenz liegt, denn hier hat der Kondensator bei der relevanten Frequenz eine niedrige Impedanz.

Bild 7: Die Kennlinien von sechs Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten lassen die jeweilige Eigenfrequenz erkennen. Maxim Integrated

In Bild 7 sind die Eigenfrequenzen von Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten an den Einkerbungen in den Kennlinien klar erkennbar. Dabei ist klar zu sehen, dass die Kondensatoren mit den höheren Kapazitätswerten bei niedrigen Frequenzen eine bessere Entkopplungswirkung (das heißt eine niedrigere Impedanz) haben als Kondensatoren mit geringerer Kapazität. Zur Darstellung der Eigenfrequenz von Kondensatoren eignen sich kostenlos angebotene Spice-Programme.

Layoutfehler im Zusammenhang mit Schaltnetzteil-ICs

Bild 8: Vereinfachtes Schaltbild mit dem MAX17501 aus der Schaltnetzteil-Familie Himalaya.Maxim Integrated

In Bild 8 fallen die zwei abweichenden Massesymbole (Dreiecke) auf. Diese kennzeichnen Punkte mit steilen, hohen Schaltstrom-Impulsen. Es ist wichtig, diese Punkte von den Masseverbindungen analoger Kleinsignal-Schaltungen oder von der Referenzmasse zu isolieren.

Wie man sieht, wurde in Bild 8 ein keramischer Eingangsfilterkondensator (C1) in der Nähe des V_IN-Anschlusses des Bausteins platziert. Der Kondensator fungiert als Energiereservoir zur Glättung von Impulsen auf der Stromversorgungs-Leitung, die ohne diesen Kondensator an die Gleichstromversorgung zurückschlagen würden. Abhängig von der Steilheit der Schaltimpulse kann dieser Eingangs-Filterkondensator aus mehreren verschieden großen Einzelkondensatoren zusammengesetzt sein, um einen großen Frequenzbereich abzudecken. Der Bypass-Kondensator für den V_CC-Anschluss sollte ebenfalls möglichst nah an diesem Anschluss platziert werden. Auch dieser Kondensator muss möglicherweise aus mehreren Einzelkondensatoren zusammengesetzt werden. Im Interesse einer möglichst effizienten Wärmeableitung sollten einige Thermal Vias (Durchkontaktierungen) unter dem offen liegenden Pad des Bausteins angeordnet werden.

Bild 9: Isolation zwischen den Massen und dem zentralen Massepunkt und der Hochstrom-Schleife (gestrichelte rote Linie).Maxim Integrated

Entscheidend für einen stabilen Betrieb

Die in Bild 9 gezeigte Stromschleife ist der wichtigste Teil des Schaltnetzteils. Entscheidend für einen stabilen Betrieb ist es, die beiden Massen voneinander zu isolieren, denn schon kleine Schwankungen an dieser Stelle können katastrophale Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, das Rauschen sowie die elektromagnetischen und hochfrequenten Störabstrahlungen (EMI und RFI) haben. Da in dieser Schleife gepulste Ströme fließen, müssen die Leiterbahnen im Interesse einer geringen Streuinduktivität so kurz und so breit wie möglich sein. Einfache Modifikationen an dieser Stromschleife können den Unterschied zwischen einem guten und einem schlechten Layout ausmachen. Im Streben nach einer möglichst kleinen Schleife lässt sich ein schlechtes Layout bereits um 20 % verbessern. Schon das Drehen der Induktivität um 90° bringt eine Verbesserung. Zum Verringern der Serieninduktivität eines Vias können je nach Bedarf zwei, vier oder noch mehr Vias parallelgeschaltet werden.

In Bild 9 ist zu erkennen, dass das kreisförmige Via-Symbol einen weiteren kleinen Kreis enthält. Es handelt sich hier um die Masseverbindungen (die Dreiecksymbole im Schaltplan), die mit der Massefläche an der Unterseite der Leiterplatte und mit dem zentralen Massepunkt verbunden sind. Die Via-Kreise mit einem X darin symbolisieren die Masse für die Referenz und die Signalstabilität. Diese sind an eine separate Fläche an der Platinenunterseite angeschlossen und am zentralen Massepunkt mit der Haupt-Massefläche verbunden. Die Masse für die analogen Kleinsignal-Schaltungen und die Referenz muss von der Masse für die Schaltströme getrennt gehalten werden. Beide sollten an der Stelle miteinander verbunden werden, an der die Schalt-Aktivitäten minimal sind (das heißt am zentralen Massepunkt). Meist erfolgt die Verbindung am masseseitigen Anschluss des Bypass-Kondensators für V_CC.

Das Via-Kreissymbol mit einem Pluszeichen symbolisiert die Verbindung zwischen der Ausgangsspannung und dem Feedback-Pin. Diese muss auf möglichst kurzem Weg von der Induktivität und der Hochstromschleife weggeführt werden. Der Serienwiderstand R4 ist möglichst nah am Feedback-Pin zu platzieren, da er zusammen mit der Eingangskapazität des Feedback-Pins ein Tiefpassfilter bildet (Bild 10).

Bild 10: Befindet sich R4 nah am Ausgangs-Pin, wirkt die lange Leitung zum Feedback-Pin (FB/VO) als Antenne. Maxim Integrated

Ein Entwickler ohne große Layout-Erfahrung könnte nach einem Blick auf den Schaltplan den Widerstand R4 in der Nähe des Ausgangs-Pins anordnen, wie in Bild 10 geschehen. Da die Induktivität aber als ungeschirmte Drahtwicklung um einen Ferritkern ausgeführt ist, intensiviert sie die in den Feedback-Pin eingestreuten elektromagnetischen Felder (gestrichelter Kreis in orange). Dies wiederum hat Instabilitäten zur Folge, da die Leitung zwischen Feedback-Pin und R4 als Antenne wirkt und die Schaltflanken empfängt. In Bild 11 ist Leitung A eine pegelstarke Quelle, während es sich bei Leitung B um einen Empfänger mit hoher Impedanz handelt. Verringern lässt sich das Übersprechen, indem Leitung B in größerer Distanz angeordnet oder ihre Impedanz verringert wird.

Bild 11: Das Übersprechen lässt sich durch richtiges Verlegen der Leiterbahnen minimieren. Die Kombination aus R4 und „C internal“ fungiert als Tiefpass und dämpft das Übersprechen.Maxim Integrated

Oberwellen kontrollieren

Auch wenn die eigentliche Schaltfrequenz nur im zweistelligen Kilohertzbereich liegt, sind es die Oberwellen der Schaltflanken, die zu Übersprechen und Störabstrahlungen führen. Die Frequenzen dieser Oberwellen können bis zu vielen hundert Megahertz betragen und müssen unbedingt kontrolliert werden. Mit der in Bild 12 gezeigten Lösung gelingt es deshalb besser, Ausgangs-Pin und Feedback-Pin miteinander zu verbinden. Die Leiterbahn wird hierzu von der Hochstromschleife (Bild 9) und der Induktivität L1 ferngehalten, und R4 dämpft etwaige Interferenzen (markiert durch die orange Kreise). Die Platzierung von R4 in der Nähe des Feedback-Pins des MAX17501 verbessert die Tiefpasswirkung der Kombination aus R4 und der internen Kapazität.

Bild 12: Die Übersprech-Effekte zwischen den Leitungen können kapazitiver, magnetischer oder elektrostatischer Natur sein (oder eine Kombination daraus).Maxim Integrated

Um die grundlegenden Prinzipien zu verdeutlichen, wurde hier das denkbar einfachste Layout eines Bausteins mit internen Schalttransistoren beschrieben. Bauelemente mit externen Transistoren werden in anderen Tutorials und Applikationsschriften von Maxim Integrated behandelt (siehe Online-Version).        

(ah)