Synchrone Buck-Wandler

Wie man sychronen Buck-Wandlern das Stören abgewöhnt

| Autor / Redakteur: Timothy Hegarty * / Thomas Kuther

Bitte nicht stören: Von synchronen Buck-Wandlern können hochfrequente, leitungsgeführte und abgestrahlte Störaussendungen ausgehen.
Bitte nicht stören: Von synchronen Buck-Wandlern können hochfrequente, leitungsgeführte und abgestrahlte Störaussendungen ausgehen. (Bild: © elena281/Fotolia)

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Störaussendungen von synchronen Buck-Wandlern entstehen durch steile Spannungs- und Stromflanken während harter Schaltvorgänge. Parasitäre Induktivitäten tragen viel zur Verbreitung bei.

Hochfrequente, leitungsgeführte und abgestrahlte Störaussendungen von synchronen Buck-Wandlern entstehen durch steile Spannungs- und Stromflanken (dv/dt bzw. di/dt) während harter Schaltvorgänge. Derartige elektromagnetische Interferenzen (EMI) stellen während der Design- und Qualifikationsphase ein zunehmend ärgerliches Phänomen dar – speziell wegen der immer höher werdenden Schaltgeschwindigkeit der Leistungs-MOSFETs. Der folgende Artikel hebt die signifikante Rolle hervor, die parasitäre Induktivitäten beim Entstehen der Störaussendungen spielen, und macht Vorschläge für deren Minimierung mit dem Ziel, die breitbandige EMI-Signatur zu reduzieren.

Kritische Schleifen mit steilen Stromflanken

Versieht man eine Leistungsstufe mit einem kompakten, optimierten Layout, so senkt dies die EMI-Effekte und erleichtert die Einhaltung der entsprechenden Vorschriften. Ein entscheidender Schritt bei der Umsetzung des Schaltplans eines Wandlers in ein Leiterplatten-Layout besteht darin, Schleifen mit steilen Stromflanken zu ermitteln und die durch das Layout bedingten parasitären (Streu-)Induktivitäten zu erkennen, die zu übermäßigen Störaussendungen, Überschwingern, Oszillationen und Ground-Bounce-Effekten führen können [1].

Betrachten Sie hierzu den Einschaltvorgang des high-seitigen MOSFET Q1 in dem synchronen Buck-Wandler von Bild 1. Der ursprünglich von der Source zur Drain des Synchron-MOSFET Q2 fließende Strom geht auf null zurück, während der Strom in Q1 auf das Niveau des Drosselstroms ansteigt. Die rot hinterlegte und mit ‚1‘ bezeichnete Stromschleife in Bild 1 ist deshalb die mit hoher Frequenz schaltende Schleife (oder auch ‚heiße‘ Schleife).

Bei dem in der Induktivität LF fließenden Strom handelt es sich dagegen großenteils um einen Gleichstrom mit einem überlagerten dreieckförmigen Rippelstrom. Die Änderungsrate des Stroms wird im Wesentlichen durch die Induktivität bestimmt, und etwaige, durch die Serienverbindungen bedingte parasitäre Induktivitäten sind weitgehend unkritisch.

Bei den Schleifen 2 und 3 in Bild 1 handelt es sich um die Gatetreiber-Schleifen der Leistungs-MOSFETs. Schleife 2 ist der Gatetreiber des high-seitigen MOSFET und wird durch den Bootstrap-Kondensator CBOOT gespeist. Schleife 3 ist der Gatetreiber des low-seitigen MOSFET und wird durch VCC gespeist. Die Gate-Einschalt- und -Ausschaltstromwege sind in beiden Fällen mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien wiedergegeben.

Parasitäre Induktivitätenbeeinflussen das EMI-Verhalten

Das Schaltverhalten des MOSFET und die Konsequenzen für Oszillationen, die Verlustleistung, die Belastung des Bausteins und die EMI-Erzeugung hängen mit den parasitären Induktivitäten in der Leistungsschleife und den Gatetreiber-Schaltungen zusammen. Bild 2 gibt eine Übersicht über die parasitären Elemente, die sich durch die Platzierung und Gehäuse der Bauelemente und das Leiterplatten-Layout ergeben und Auswirkungen auf das Schaltverhalten und die EMI-Effekte des synchronen Buck-Wandlers haben.

Die effektive Induktivität LLOOP der Leistungsschleife bei hohen Frequenzen ist die Summe aus der gesamten Drain-Induktivität LD und der Common-Source-Induktivität LS. Letztere setzt sich aus der Serieninduktivität des Eingangskondensators und der Leiterbahnen sowie den Gehäuse-Induktivitäten der Leistungs-MOSFETs zusammen. Wie zu erwarten, steht die Induktivität der Leistungsschleife in engem Zusammenhang mit der Layout-Geometrie der Schleife aus Eingangskondensator und MOSFET (dies ist der rot hinterlegte Bereich in Bild 1).

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