Wo soll die Spule auf der Leiterplatte hin?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: VCG)

Die Spule eines Schaltreglers ist kein Teil der kritischen Hot Loop. Es ist aber durchaus sinnvoll, Steuerleitungen nicht unter oder sehr nahe an der Spule zu führen. Wie das praktisch realisierbar ist, zeigt unser Power-Tipp.

Schaltregler zur Spannungswandlung verwenden Induktivitäten um Energie zwischen zu speichern. Diese Induktivitäten sind recht große Bausteine und müssen im Platinenlayout eines Schaltreglers platziert werden. Diese Aufgabe ist nicht allzu schwierig, da sich der Strom durch eine Induktivität zwar verändern kann, nicht jedoch schlagartig. Es erfolgen nur kontinuierliche, üblicherweise relativ langsame Veränderungen.

Schaltregler schalten den Stromflusspfad zwischen zwei verschiedenen Wegen hin und her. Dieses Umschalten erfolgt sehr schnell und ist abhängig von der Dauer der Schaltflanken. Die daraus resultierenden Leiterbahnverbindungen, welche beim einen Schaltzustand Strom führen und beim anderen Schaltzustand keinen Strom führen, nennt man ‚Hot Loops‘ oder auch ‚AC‘-Strompfade.

Diese sollten Sie in einem Platinenlayout besonders klein und kurz halten, damit die parasitären Induktivitäten in diesen Leiterbahnen möglichst klein sind. Parasitäre Leitungsinduktivitäten erzeugen einen ungewollten Spannungsversatz und daraus resultieren Störungen.

In Bild 1 ist ein Abwärtswandler gezeigt, bei welchem die kritischen Hot Loops grün markiert sind. Es ist zu erkennen, dass die Spule L1 nicht Teil der Hot Loop ist. Somit könnte man davon ausgehen, dass die Platzierung dieser Induktivität unkritisch ist. Es ist richtig, dass bei einer Induktivität, die außerhalb der Hot Loops liegt, die Platzierung zweitrangig ist. Dennoch sind einige Reglern zu beachten.

Sie sollten keine sensiblen Steuerleitungen unter einer Induktivität durchführen. Weder direkt auf der Platinenoberfläche noch unterhalb, in inneren Lagen, oder auf der Rückseite der Platine. Die Spule erzeugt durch den Stromfluss ein Magnetgeld, welches sich auf schwache Signale in einem Signalpfad auswirken kann. In einem Schaltregler ist einer der kritischen Signalpfade der Feedback-Pfad, welcher die Ausgangsspannung mit dem Schaltregler-IC oder auch einem Widerstandsteiler verbindet.

Beachten sollten Sie ebenfalls, dass eine wirkliche Spule neben einer Induktivität auch noch eine kapazitive Wirkung hat. Die ersten Spulenwindungen sind direkt mit dem Schaltknoten eines Abwärtswandlers verbunden, wie in Bild 1 gezeigt. Somit ändert sich die Spannung genauso stark und so schnell wie die Spannung am Schaltknoten. Bei sehr schnellen Schaltzeiten und hohen Eingangsspannungen der Schaltung ergibt sich ein durchaus beachtlicher Kopplungseffekt auf andere Pfade auf der Platine. Sie sollten also auch deshalb empfindliche Leiterbahnen von dem Ort der Spule fernhalten.

Bild 2 zeigt ein Beispiel-Layout mit dem ADP2360. Die Hot Loop aus Bild 1 ist grün gekennzeichnet. Der Feedbackpfad mit Abstand zu L1, der sich auf einer inneren Lage der Platine befindet, ist Gelb gezeichnet.

Manche Entwickler wollen gar keine Kupferlage unterhalb der Spule haben. Sie würden beispielsweise selbst in einer Masselage eine Aussparung unterhalb der Induktivität vorsehen, damit Wirbelströme unterhalb der Spule in der Masseebene nicht auftreten. Dieser Ansatz ist nicht falsch, Argumente für eine durchgezogene Masseebene ohne Unterbrechung sind jedoch:

  • Eine Masseebene schirmt am besten, wenn sie nicht unterbrochen ist.
  • Die Wärmeabfuhr funktioniert besser, je mehr Kupfer eine Platine hat.
  • Auch wenn Wirbelströme erzeugt werden, fließen diese Ströme lokal, verursachen nur geringe Verluste und stören die Funktion einer Masseebene kaum.

Ich bin ein Verfechter für eine durchgezogene Masselage auch unterhalb der Spule.

Fazit: Zusammenfassend können wir feststellen, dass die Spule eines Schaltreglers nicht Teil der kritischen Hot Loop ist, dass es aber durchaus sinnvoll ist, Steuerleitungen nicht unter oder sehr nahe an der Spule zu führen. Verschiedene Ebenen der Leiterplatte, beispielsweise für Masse, oder auch für Udd (Versorgungsspannung), dürfen ohne Aussparungen erstellt werden.

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

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