Power-Tipp von TI, Teil 56

Zeit sparen mit einem sorgfältig ausgearbeiteten Netzteil-Layout

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Power-Tipp von TI, Teil 56
Power-Tipp von TI, Teil 56 (Bild: VBM-Archiv)

Das Design für ein Netzteil kann noch so gut sein – ein nachlässiges Layout kann es im Nu zunichte machen. In einem Netzteil findet man bekanntlich sowohl geschaltete Stromkreise mit hohen Leistungen und Strömen als auch empfindliche analoge Schaltungen. Vermengt man beide, sind Schwierigkeiten unabwendbar.

Das Netzteil kann sogar unkontrolliert ins Schwingen geraten, wenn die Regelung versucht, ungewollt eingestreute Störungen zu korrigieren. Es reicht jedoch, nur wenige Minuten in die Planung und Prüfung des Layouts zu investieren, um Störprobleme zu eliminieren und sich damit tagelange Labor- und Debugging-Arbeit zu ersparen.

Bild 1: Störquellen (hier der Schalt-Knoten) und hochohmige Knoten (in diesem Fall der Fehlerverstärker-Eingang) müssen unbedingt im Blick behalten werden.
Bild 1: Störquellen (hier der Schalt-Knoten) und hochohmige Knoten (in diesem Fall der Fehlerverstärker-Eingang) müssen unbedingt im Blick behalten werden. (Bild: TI)

Bild 1 zeigt als Beispiel ein Layout, bei dem es der zuständige Ingenieur nicht verstanden hat, geschaltete Stromkreise und empfindliche Schaltungsteile voneinander zu trennen. Unbeabsichtigt kommt es hier zu einer kapazitiven Kopplung zwischen dem Schalt-Knoten eines Abwärtswandlers und dem Eingang des Fehlerverstärkers. Hierzu kommt es nicht selten wegen der großen Zahl der Bauelemente, die an den Fehlerverstärker angeschlossen sind. Bei dem hier verwendeten Controller-IC ist die Gefahr, dass hieraus ein Problem entsteht, sogar noch größer, da zwischen dem Schalt-Knoten und dem Fehlerverstärker-Eingang nur zwei Pins liegen.

Die Behebung des Problems ist trotzdem relativ einfach. Beide Knoten müssen schlicht getrennt werden, und zwischen beiden muss eine als Abschirmung dienende Masseleitung verlegt werden. Offensichtlich waren sich auch die Designer des IC dieses potenziellen Problems bewusst, haben sie doch vorsorglich einen Masse-Anschluss zwischen dem Schalt-Knoten und dem Eingangs-Pin des Fehlerverstärkers angeordnet.

Bild 2 illustriert einen Fall, in dem die Designer nicht an die Ströme gedacht haben, die in Bypass-Kondensatoren und Snubber-Widerständen fließen. Die Folge war, dass am Ausgang des Netzteils ein hochfrequentes Störsignal festzustellen war. Der synchrone Abwärtswandler dieser Schaltung ist zur Störungsminderung mit einem Snubber-Glied (C1 und R2) versehen. In synchronen Abwärtswandlern kommen zwei Arten von Schaltvorgängen vor. Im ersten schaltet der high-seitige Schalter ab, woraufhin die Ausgangsdrossel den Schalt-Knoten auf Masse zieht und der low-seitige Schalter einschaltet.

Dieser Vorgang ist unkritisch, denn während der Schaltvorgänge liegt an keinem der beiden Schalter eine Spannung. Anders ist es dagegen, wenn der low-seitige Schalter abschaltet und der Strom anschließend über dessen Body-Diode weiterfließt, bevor diese durch das Einschalten des high-seitigen Schalters wieder sperrt. Es entsteht ein Stromstoß, der die Gehäuseinduktivität und die Kapazität des Schalt-Knotens zum Schwingen bringt.

Sind die Totzeiten beim Schalten hinreichend kurz, lässt sich verhindern, dass die Diode leitend wird. Shoot-through-Effekte können jedoch ähnliche Stromstöße hervorrufen. Dieser Schaltvorgang ist deshalb alles andere als unkritisch. Der Sperrerholstrom der Diode und die Kapazität an diesem Knoten werden hart geschaltet, und die Spannung der Oszillationen am Schalt-Knoten kann die Eingangsspannung deutlich übersteigen.

Die Oszillationen dürften Frequenzkomponenten bis in den Bereich von 100 MHz hinein enthalten, die infolge des Kapazitätsbelags der Ausgangsdrossel L1 bis an den Ausgang durchschlagen können. Da das Snubber-Glied die Resonanz dämpft, fließen auch in ihm hochfrequente Ströme.

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