Design, Layout und Simulation Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 1

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Heitec AG

HTV Halbleiter-Test & Vertriebs-GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Eine ausführliche Qualifizierung von Schaltnetzteilen ist unbedingt anzuraten und trägt zur Stabilität des Gesamtsystems bei. Diese Beitragsserie gibt Tipps und Hilfestellungen zur Qualifizierung von selbst entwickelten Schaltnetzteilen auf elektronischen Baugruppen. Im ersten Teil geht es um Grundlagen rund um Design, Layout und Simulation.

Ein typisches Beispiel für ein Schaltnetzteil ist ein IC-gestützter Abwärts-Schaltwandler (Buck Converter). Der Schalter in Bild 1 stellt das Schalt-IC mitsamt Schalttransistoren und integrierter Logik dar.

Design & Layout

Das Design und das Layout der Schaltnetzteile erfolgen typischerweise nach Herstellerangaben und bekannten technischen Prinzipien. Die Datenblätter oder Application Notes der jeweiligen Komponenten halten dabei wertvolle Tipps und Tricks für das Layout dieser Wandler bereit, der erste Schaltentwurf sollte jedoch unbedingt durch eine Schaltungssimulation verifiziert werden. Insbesondere bei hochfrequenten Schaltreglern ist das Layout kritisch für deren Performance. Und: Beim Erstellen des Layouts müssen nicht nur elektrische, sondern auch thermische Effekte berücksichtigt werden. Ebenso ist die Testbarkeit in Betracht zu ziehen: An kritischen Punkten sind Testpunkte anzubringen und es muss genügend Platz für das Anbringen von Messspitzen eingeplant werden.

Bildergalerie

Simulation

Das Ziel sollte eine möglichst realitätsnahe Schaltungssimulation sein, weshalb „reale“ SPICE-Bauteilemodelle für Schalt-ICs sowie diskrete Bauteile (Spulen, Kondensatoren, Widerstände, Transistoren) und nicht einfach „ideale“ Kondensatoren, Drosseln und Schalter zum Einsatz kommen sollten. In den meisten Fällen sind von den Bauteileherstellern Modelle erhältlich. Ist dies nicht der Fall, können die Modelle mit etwas Aufwand anhand der Datenblattangaben auch selbst erstellt werden. Aus Entwicklersicht ist bei unzureichenden Datenblattangaben tendenziell die Verwendung eines besser dokumentierten Bauteils zu empfehlen. In jedem Fall sind die verwendeten Modelle mit dem Datenblatt zu vergleichen, da Hersteller für gewöhnlich nicht die Richtigkeit von Simulationsmodellen garantieren, und die Datenblattangaben deutlich verlässlicher sind.

Die Bilder 2 und 3 zeigen das Beispiel eines schlecht modellierten Kleinsignal-MOSFETs. Um das Modell mit dem Datenblatt abzugleichen, wurde eine kleine Transistor-Testbench zum Bestimmen des Großsignal-Ausgangsverhaltens aufgebaut. Das Großsignalverhalten stellt dabei einen von vielen wichtigen Parameter eines Transistors dar. Es ist eine deutliche Abweichung zwischen dem Modellergebnis und dem Messergebnis aus dem Datenblatt ersichtlich. In diesem Fall sollte man sich nicht auf das Transistormodell verlassen und bestenfalls die Verwendung dieses Bauteils gänzlich vermeiden (handelt es sich um ein kritisches Bauteil, sollte das Bauteilmodell korrigiert werden, was jedoch den Aufwand, die Kosten und das Design-Risiko erhöht). In Bild 2 ist eine Transistor-Testbench zur Simulation des Ausgangskennlinienfeldes zu sehen. Bild 3 zeigt den Vergleich zwischen dem Simulationsergebnis (rote Linien) und den Messdaten aus dem Datenblatt (schwarz). In Bild 4 ist ein wesentlich besser modellierter Leistungstransistor zu sehen. Das Modell (rote Linien) deckt nahezu ideal die Messdaten aus dem Datenblatt ab (schwarze Linien).

Fazit

Also: Immer die verwendeten SPICE-Modelle prüfen und nicht einfach auf vorgefertigte Modelle vertrauen!

Allgemein gilt

Aus Kostengründen wird die Qualifizierung/qualifizierende Messung von Schaltnetzteilen in der Industrie oftmals nur rudimentär durchgeführt, was jedoch zu großen Risiken im operativen Betrieb führen kann. Eine Fehlersuche nach Auslieferung ist zudem mit hohen Kosten und Disruption im Projekt verbunden. Bei Heitec wird immer eine ausführliche Qualifizierung sowie Simulation von Schaltnetzteilen vorgenommen. Durch Nearshoring innerhalb des Heitec-Konzerns kann dies kosteneffizient geschehen und belastet das Projektbudget nicht überproportional.

In Teil 2 werden wir uns mit der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung einer qualifizierenden Messung beschäftigen – seien Sie gespannt!

* Konstantin Vilyuk und Stefan Lange, Engineering Geschäftsgebiet Elektronik, Heitec AG.

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