In batteriebetriebenen Geräten die Störspannung minimieren

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Der AS1310 hat einen Wirkungsgrad von bis zu 92%

Der große Vorteil, den ein Aufwärtsregler wie der AS1310 in dieser Anwendung bietet, ist sein sehr hoher Wirkungsgrad bis zu 92% bei geringer Last (60 mA). Im Leerlauf kann der Regler bei einem Ruhestrom von nur 1 µA eine Ausgangsspannung von 3 V liefern; er ist dadurch eine ideale Ergänzung zu aktuellen Ultra-low-Power-MCUs. Der AS1310 (Bild 3) hat einen Eingangsspannungsbereich von 0,7 bis 3,3 V und ist in mehreren Versionen mit jeweils unterschiedlichen, festen Ausgangsspannungen (bis 3,6 V) erhältlich. Bei 1,8 V Eingangsspannung kann der AS1310 Ausgangsströme bis 100 mA liefern. Ein verwandtes Produkt, AS1312, bietet eine vergleichbare Performance, ist aber für höhere Ausgangsspannungen (bis 5 V) ausgelegt.

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Aufwärtsregler wie der AS1310 können zwar, wie gefordert, eine geregelte 3-V-Spannung liefern, werden aber von Entwicklern manchmal gemieden, weil sie dafür bekannt sind, starkes Schaltrauschen zu produzieren. Die daraus resultierende Störspannung/-strahlung (EMI, Electromagnetic Interference) kann die Funktionsfähigkeit von HF-Schaltungen und empfindlichen analogen Sensoren beeinträchtigen. Wie kann der Systementwickler verhindern, dass seine Design-Entscheidung (Maximierung der MCU-Arbeitsgeschwindigkeit) den Nebeneffekt hat, dass Analog- oder HF-Schaltungen durch Rauschen gestört werden?

Design-Regeln zur Minimierung des Schaltrauschens

Bei einer Anwendung wie dieser entfällt ein Großteil der Arbeit, die der Entwickler in das Design steckt, auf die Optimierung des Leiterplattenlayouts im Hinblick auf minimale Störspannung/Störstrahlung und minimales Ground-Bounce. Die Ausgangsspannungswelligkeit steht in einer direkten Beziehung zu folgenden Parametern: äquivalenter Serienwiderstand (ESR) des Kondensators, Induktivitätswert, Schaltfrequenz, Tastverhältnis und Laststrom. Hochfrequentes Schaltrauschen hingegen wird eher durch parasitäre Elemente und andere Phänomene bestimmt, die dem Leiterplattenlayout zuzuschreiben sind.

Das Schaltrauschen äußert sich oft in Form von Störsignalspitzen im Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz. Beim Entwurf eines Schaltreglers (ganz gleich, ob vom Abwärts- oder Aufwärts-Typ) ist es deshalb sehr wichtig, dem Leiterplattenlayout gebührende Beachtung zu schenken. Die Eigenschaften von Filterbauteilen wie Induktivitäten und Ausgangskondensatoren haben einen zwar geringeren, aber dennoch merklichen Einfluss auf das Schaltrauschen.

Ganz allgemein ist es ratsam, die Induktivität, den Wandler-IC und die Filterkondensatoren möglichst nahe beieinander und auf der gleichen Seite der Leiterplatte zu platzieren. Die Leiterbahnen zu diesen Bauteilen sollten möglichst kurz und breit ausgeführt werden, um parasitäre Induktivitäten und Widerstände klein zu halten. Die Masse-Pads der Eingangs- und Ausgangskondensatoren sowie der Masseanschluss des ICs sollten im Idealfall mit einer Kupfer-Füllfläche auf der Bauteilseite der Leiterplatte verbunden sein, die wiederum diese über zahlreiche Durchkontaktierungen mit der eigentlichen Masseebene verbunden ist; das Ergebnis ist eine punktuelle, niederohmige Masseverbindung.

Zur Vereinfachung des Layouts sollten zunächst die Anschlusspads für die Induktivität möglichst nahe am AS1310 platziert werden; die Pads sollten so groß dimensioniert sein, dass die Impedanz des Hochstromkreises hinreichend klein bleibt. Ein Beispiel für eine gut abgeschirmte und für diese Anwendung geeignete Induktivität ist Muratas LQH2HPN6R8MG0, eine 6,8-µH-Induktivität im 2520-Gehäuse.

Im nächsten Schritt geht es darum, die Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu dimensionieren. Diese sollten so groß gewählt werden, dass auch bei maximalem Eingangs- und Ausgangsstrom die Welligkeit im zulässigen Bereich bleibt. Die Nennspannung des Eingangskondensators sollte höher als die maximale Eingangsspannung sein. Der Eingangsfilterkondensator „deckelt“ die Spitzenströme, die der Eingangsspannungsquelle entnommen werden, und begrenzt das Rauschen am Eingang. Die erforderliche Kapazität des Eingangskondensators hängt vom Innenwiderstand der Eingangsspannungsquelle ab.

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