Was tun Sie, wenn die Erden getrennt sind?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Wie ist bei Schaltreglern mit analoger Masse (AGND) sowie mit Power-Masse (PGND) zu verfahren? Diese Frage stellen sich viele Entwickler, die ein Schaltnetzteil entwerfen.

Einzelne Entwickler sind den Umgang mit „Digital GND“ und „Analog GND“ gewöhnt. Bei „Power GND“ hören häufig die Erfahrungen auf. Entwickler kopieren dann meist das Platinen-Layout eines ausgewählten Schaltreglers und kümmern sich nicht weiter um diese Aufgabenstellung.

PGND ist die Masseverbindung, über die höhere, gepulste Ströme fließen. Je nach Schaltreglertopologie sind das die Ströme durch einen Leistungstransistor oder auch die gepulsten Ströme eines Leistungstreibers. Dies ist besonders bei Schalt-Controllern, also mit externen Leistungsschaltern, relevant.

AGND, manchmal auch SGND (Signalmasse) genannt, sind die Masseverbindungen, auf welche sich die weiteren, meistens sehr ruhigen Signale als Referenz beziehen. Diese umfassen beispielsweise die interne Spannungsreferenz, welche für die Regelung der Ausgangsspannung notwendig ist. Auch Soft-Start- und Enable-Spannungen beziehen sich auf den AGND-Anschluss.

Die Philosophien zum Umgang mit den Masseanschlüssen

Zum richtigen Umgang mit diesen beiden Masseanschlüssen gibt es zwei unterschiedliche technische Philosophien und dadurch verschiedene Meinungen unter Experten. Die einen sagen, die AGND- und PGND-Anschlüsse eines Schaltregler-ICs müssen gleich neben den jeweiligen Pins miteinander verbunden werden.

Dies hat den Vorteil, dass der Spannungsversatz zwischen beiden Pins relativ gering bleibt. So kann der Schaltregler-IC vor Störungen und sogar einer Zerstörung geschützt werden. An diesen Verbindungspunkt würde man sternförmig alle Masseverbindungen der Schaltung sowie eine mögliche Masseebene anbinden.

Bild 1 zeigt ein Beispiel für diese Philosophie. Hier ist das Platinen-Layout eines LTM4600 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein Step-Down-Micromodul für 10 A. Direkt neben den separat auf die Platine geführten Masseverbindungen sind diese miteinander verbunden (blaues Oval).

Durch die parasitäre Induktivität der jeweiligen Bonddrähte zwischen Chip und Gehäuse sowie die Induktivität der jeweiligen Pins besteht bereits eine gewisse Entkopplung zwischen PGND und AGND, sodass die Schaltungen auf dem Chip sich nur wenig gegenseitig stören.

Die andere Philosophie ist ein weiteres Trennen von AGND und PGND auf der Platine, bis hin zu zwei getrennten Masseebenen, welche an einer Stelle verbunden sind. Dadurch bleiben störende Signale (Spannungsversatz) weitgehend im PGND-Bereich und die Spannung im AGND-Bereich bleibt sehr ruhig und recht gut von PGND entkoppelt.

Spannungsversatz zwischen PGND und AGND

Nachteilig ist jedoch – abhängig von den Transienten der gepulsten Ströme und auch den vorkommenden Stromstärken – ein durchaus signifikanter Spannungsversatz zwischen PGND und AGND an den jeweiligen Pins. Dieser kann dazu führen, dass ein Schaltregler-IC nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert oder sogar Schaden nimmt. Bild 2 zeigt ein Beispiel für diese Philosophie. Es stammt von einem ADP2386, einem Step-Down-Schaltregler für 6 A.

Somit ist die Frage, wie mit den beiden Erden – AGND und PGND – zu verfahren ist, nicht ganz eindeutig zu beantworten. Deshalb gibt es wohl auch noch immer diese Diskussion.

Am Anfang dieses Textes hatte ich erwähnt, dass viele Nutzer eines Schaltreglers das Platinen-Layout und die Art der Masseverbindung aus der Beispielschaltung des IC-Herstellers übernehmen. Diese Vorgehensweise ist durchaus sinnvoll, da man davon ausgehen kann, dass der Hersteller den jeweiligen IC in dieser Anordnung auch getestet hat. Ebenfalls kann man bei den Beispielen von Bild 1 und Bild 2 erkennen, dass das jeweilige Pinout eines ICs sich entweder für eine lokale Masseverbindung eng an PGND und AGND oder einen stärker getrennten Masseverlauf eignet.

Natürlich können einem IC-Hersteller beim Entwurf von Beispielschaltungen auch Fehler unterlaufen. Deshalb ist es gut, über die Hintergründe Bescheid zu wissen.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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