Switch Node Ringing Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 6

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Eine ausführliche Qualifizierung von Schaltnetzteilen ist unbedingt anzuraten. Diese Beitragsserie gibt Tipps und Hilfestellungen zur Qualifizierung von selbst entwickelten Schaltnetzteilen auf elektronischen Baugruppen. Im sechsten Teil unserer Reihe geht es um Ursachen von Switch Node Ringing und mögliche Gegenmaßnahmen.

In den ersten fünf Teilen dieser Reihe haben wir uns den Grundlagen des Designs, des Layouts und der Simulation, den einzelnen Schritten einer typischen Messung sowie der Qualifizierung einiger einzelner Phänomene wie Spannungsverhalten, Temperatur und Ripple gewidmet. In diesem Teil geht es um das Phänomen des Switch Node Ringing.

Ursache und Gegenmaßnahmen

In Feld 1 von Bild 1 ist zu sehen, dass beide Transistoren (High- und Lowside) parasitäre Induktivitäten an den Zuleitungen (L_DRAIN, L_SOURCE und C_DS) aufweisen. Während der LS-Transistor durchgeschaltet ist, werden die beiden Zuleitungsinduktivitäten in guter Näherung vom Laststrom durchflossen. Dabei wird die Energie

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in den beiden parasitären Induktivitäten des LS-Transistors gespeichert. Der Stützkondensator parallel zur Last wird entladen (Generator Zählpfeilsystem).

Feld 2: Nachdem beide Transistoren ausgeschaltet wurden (Totzeit zwischen LS und HS), wird die Body-Diode des LS-Transistors leitend. Dies führt zum Aufladen der parasitären Kapazität zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen des LS-Transistors. Die dabei gespeicherte Energie ergibt sich aus dem Spannungsabfall an der Body-Diode zu

Die Last wird nach wie vor durch den Stützkondensator gespeist.

Feld 3: Mit CCM ist Continuous Current Mode bzw. nicht-lückender Betrieb gemeint. Der HS-Transistor schaltet durch. Die parasitären Elemente des LS-Transistors geben nun die gespeicherte Energie in Form einer Schwingung an den Schaltknoten (switch node) ab. Dabei bilden die parasitären Induktivitäten und die parasitäre Kapazität einen LC-Serienschwingkreis mit der Frequenz

Der Stützkondensator wird geladen (Verbraucher-Zählpfeilsystem). Falls der Betragsgang des Stützkondensators für die f_ring ein Minimum aufweist, wird die Schwingung des parasitären LC-Schwingkreises gegen Masse abgeführt (d. h. sie ist am Ausgang nicht mehr sichtbar).

Feld 4: DCM bedeutet Discontinuous Current Mode bzw. lückender Betrieb. Der Wandler wird im lückenden Betrieb betrieben. Der Strom durch die Ausgangsinduktivität L ist zeitweise gleich Null. Bei korrekter DCM-Ansteuerung überlagert sich die parasitäre Schwingung nicht mit der steigenden Flanke des HS-Transistors. Es kommt (in der Regel) zu keiner Spannungsüberhöhung am Schaltknoten, falls die Schwingkreisgüte gering genug ist. Diese Schwingung im DCM-Betrieb ist deshalb nicht kritisch für den Durchbruch des LS-Transistors. Dennoch können daraus EMV-Probleme entstehen. Generell sollten für rauscharme und EMV-kritische Applikationen keine DCM-Regler verwendet werden, sondern CCM-Regler, allerdings sind CCM-Regler ineffizienter, deshalb ist dies je nach Anwendung abzuwägen.

Feld 4: Beide Transistoren werden erneut ausgeschaltet (Totzeit). Der Stützkondensator speist erneut den Ausgang (Generator Zählpfeilsystem). Die Body-Diode des HS-Transistors ist in Rückwärtsrichtung gepolt, die parasitäre Kapazität des HS-Transistors wird somit nicht geladen. Es bildet sich kein parasitärer LC-Schwingkreis beim HS-Transistor aus. Würde man an dieser Stelle einen PMOS-Transistor im HS-Pfad verwenden, so wäre dessen Body-Diode in Vorwärtsrichtung gepolt und es würde erneut zum Ausbilden eines parasitären LC-Schwingkreises kommen (PMOS-Transistoren sind jedoch unüblich, da sie einen höheren R_DS,on-Wert bei derselben Chipfläche aufweisen).

Feld 5: Die Spannung am Schaltknoten wird negativ, was zum Durchschalten der Body-Diode des LS-Transistors führt. Die Body-Diode des LS-Transistors klemmt die Spannung (typ. –0,7 V) und verhindert so einen weiteren Anstieg der negativen Spannung. Die parasitären Induktivitäten des LS-Transistors werden erneut aufgeladen. Anschließend wird nach der Totzeit der LS-Transistor erneut eingeschaltet und der gesamte Vorgang beginnt von vorne.

Feld 6: Daraus ergibt sich Folgendes: Werden im HS- & LS-Pfad NMOS-Transistoren verwendet, was den Normalfall darstellt, so tritt bei der steigenden Flanke am Schaltknoten Ringing aufgrund der parasitären Elemente des LS-Transistors auf. Dies kann zu einer Spannungsüberhöhung am LS-Transistor führen (falls die Spannung am Schaltknoten die max. Drain-Source-Spannung des LS-Transistors überschreitet, was meist im DCM-Betrieb unkritisch ist). Diese Schwingung kann über den ausgangsseitigen Kondensator gegen Masse abgeführt werden (am Ausgang nicht mehr sichtbar). Je nach Filterwirkung des Stützkondensators können dennoch EMV-Probleme daraus resultieren (vor allem bei DCM).

Gegenmaßnahmen

Um ein Fazit zu ziehen, ist beim Layout des LS-Transistors besondere Vorsicht geboten. Es muss darauf geachtet werden, die parasitären Elemente beim LS-Transistor zu minimieren. Der Stützkondensator sollte eine Filterwirkung aufweisen. Die LC-Schwingkreisgüte kann durch schaltungstechnische Maßnahmen verringert werden: Ein Gate-Widerstand am HS-Transistor führt zu längerer Flankenanstiegszeit beim Schalten des HS-Transistors; mittels Snubber parallel zum LS-Transistor gezieltes Abführen der parasitären Schwingung gegen Masse. Eine weitere Maßnahme ist Bootstraping am HS-Transistor, was sowieso notwendig ist, falls NMOS-Transistoren verwendet werden. Die Bootstraping-Schaltung bietet ebenso einen weiteren Freiheitsgrad der Einstellung der Flankensteilheit. Insgesamt muss das UDS-Rating des LS-Transistors entsprechend so gewählt werden, dass das Switch Node Ringing den Transistor nicht zerstört (vor allem bei CCM).

• Bild 2 zeigt ein Beispiel für Ringing am Schaltknoten. Da der Regler im lückenden Betrieb (DCM) betrieben wird, kommt es in diesem Fall zu keiner Spannungsüberhöhung am Schaltknoten.

• Die parasitären Kapazitäten des Layouts und der Schaltstufe bilden gemeinsam mit der Ausgangsinduktivität einen Schwingkreis, welcher zu der obigen Ringing-Erscheinung führt.

• Für einen rauscharmen Regler (bzw. für geringe EMV-Emissionen) sollte deswegen kein lückender Betrieb gewählt werden, sondern immer der CCM-Betrieb!

• In Bild 3 wird ein guter Wandler im CCM ohne Switch Node Ringing gezeigt.

Es ist einiges zu bedenken, um Nebenwirkungen zu vermeiden. Qualifizierung mit einem erfahrenen Partner wie Heitec erleichtert vieles. Im nächsten und letzten Teil der Reihe haben wir die Qualifizierung der Regler-Stabilität zum Thema. (tk)

In dieser Serie sind bisher erschienen

Design, Layout und Simulation

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 1

Qualifizierende Messungen

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 2

Transientes Spannungsverhalten eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 3

Qualifizierung der Strom- & Temperaturbelastung eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 4

Qualifizierung des Ripples eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 5

* Konstantin Vilyuk, Hardware-Entwicklung, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG, Stefan Lange ist Teamleiter Systems Engineering, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG.

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