Schaltregler: Was ist eine Hot Loop?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Was ist eine Hot Loop?
Was ist eine Hot Loop? (Bild: VCG)

Der Begriff ‚Hot Loop‘ ist immer relevant, wenn es um das Thema Schaltregler und ihre elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) geht. Besonders beim Optimieren der Leiterbahnführung auf der Platine taucht dieser Begriff auf. Was aber ist damit genau gemeint?

Bei Schaltreglern werden immer Ströme geschaltet. Üblicherweise sind diese Ströme relativ groß. Jeder Stromfluss erzeugt ein magnetisches Feld. Das Umschalten von hohen Strömen in kurzer Zeit erzeugt ein wechselndes Magnetfeld. Daneben erzeugt das Schalten von Strömen durch eine gewisse parasitäre Induktivität einer Leiterbahn, einen Spannungsversatz.

Dieser Spannungsversatz kann kapazitiv auf benachbarte Schaltungsteile koppeln und die Störabstrahlung einer Stromversorgung erhöhen. Zusammengefasst können wir festhalten, dass die Hauptursache von Störungen in einer getakteten Stromversorgung die geschalteten Ströme sind.

In Bild 1 sehen Sie eine einfache Buck-Regler-Topologie. In blau sind alle Leitungen markiert, welche einen kontinuierlichen Strom führen. Mit rot sind alle Leitungen markiert, wo ein Strom in kürzester Zeit umgeschaltet wird.

Die drei roten Pfade in Bild 1 sind also die kritischen Pfade. Sie sehen aus wie ein Stromkreis und werden deshalb als ‚Loop‘ bezeichnet. Der Begriff ‚Hot Loop‘ bedeutet nun, dass dieser Kreis besonders kritisch ist, weil es sich dabei um schnell schaltende Ströme handelt.

Wenn wir uns diese Schleife etwas genauer ansehen, erkennen wir, dass genau in dieser roten Schleife (Loop) in Bild 1 niemals ein wirklicher, eigener Strom fließt. Es ist nur eine Zusammenfassung von einzelnen Leitungen, auf welchen zu bestimmten Zeiten ein Strom fließt und zu anderen Zeiten kein Strom fließt. In Bild 2 sind den einzelnen Verbindungsleitungen Pfeile mit der Stromflussrichtung hinzugefügt. Ebenfalls ist symbolisch gezeigt, zu welcher Zeit einer Periode der Strom fließt. Zur jeweils anderen Zeit fließt durch den Leiter kein Strom.

In Bild 2 ist gut zu erkennen, dass es sich bei einer ‚Hot Loop‘ nicht um einen eigenständigen Stromkreis handelt, sondern nur um einen virtuellen Stromkreis, welcher aus Bestandteilen von zwei echten Stromkreisen besteht.

Bild 3 zeigt die echten Stromkreise, die der Schaltung zu Grunde liegen: Ein Stromkreis in blau und ein weiterer Stromkreis in grün. Eigentlich werden diese kompletten Stromkreise hin und her geschaltet, in manchen Pfaden findet jedoch in beiden Stromschleifen ein Stromfluss in dieselbe Richtung statt. In diesem Fall überlagern sie sich und bilden einen kontinuierlichen Strom bilden. Dieser Strom ist EMV-technisch nicht kritisch. Diese Leiterbahnen werden somit auch nicht als ‚Hot Loop‘ bezeichnet.

Die ‚Hot Loops‘ in Schaltreglern sind je nach Schaltregler-Topologie verschieden. Sie sollten so eng und kompakt wie möglich ausgeführt werden, um die erzeugten Störungen sowie die Übertragung der Störungen so minimal wie möglich zu halten.

An dieser Stelle sollte auch erwähnt werden, dass die Silent-Switcher-2-Technik von Analog Devices die kritischen ‚Hot Loops‘ durch die Integration von Stützkondensatoren im Gehäuse so klein wie möglich macht. Ebenfalls werden durch eine Aufspaltung der ‚Hot Loop‘ in zwei symmetrische Gebilde zwei magnetische Felder mit gegensätzlichem Vorzeichen erzeugt, sodass sich die abgestrahlten Störungen weitgehend aufheben. Ein Beispiel für einen Schaltregler mit dieser Technik ist der LT8609S.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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