EMV-gerechtes Design So optimieren Sie das Layout von DC/DC-Abwärtswandlern

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Schon kleinste parasitäre Induktivitäten des Eingangskondensators und des Platinen-Layouts können ungewollte HF-Spannungen bis über 200 MHz verursachen. Dies ist die dominante Ursache für die Gegentaktstörungen einer Schaltung aus EMV-Sicht. So lösen Sie dieses Problem.

Unter den Schaltnetzteilen ist der DC/DC-Abwärtswandler (Buck Converter) sicherlich die am häufigsten eingesetzte Topologie. Der Buck-Regler ist im Grunde nichts anderes als ein Rechteckgenerator mit nachgeschaltetem LC-Filter. Somit ist auf den ersten Blick ersichtlich, dass die Eingangsseite hinsichtlich des EMV-Verhaltens mehr Aufmerksamkeit verdient als die Ausgangsseite.

Am Eingang ist aus funktionaler Sicht grundsätzlich „nur“ ein Kondensator erforderlich. Dieser puffert während der Einschaltphase des High-Side-FET die notwendige Ladung für den Strom und wird während der Ausschaltphase durch die Quelle nachgeladen. Selbst ein passend ausgewählter und im Layout gut platzierter Eingangskondensator ist nicht ausreichend, um die teilweise sehr großen diskontinuierlichen Ströme über einen weiten Frequenzbereich zu puffern.

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Somit können auch kleinste parasitäre Induktivitäten des Eingangskondensators (ESL) und des Platinen-Layouts ungewollte HF-Spannungen bis über 200 MHz verursachen. Dies ist die dominante Ursache für die Gegentaktstörungen (Differential Mode) aus EMV-Sicht.

Wie in Bild 1 ersichtlich, ergibt sich am Eingang des Abwärtswandlers (Mitte) eine Stromschleife (H-Feld Rahmenantenne) mit sehr hohem ∆I/∆t.

An der Verbindung des Source-Anschlusses vom internen oder externen High-side-MOSFET und des Kathodenanschlusses der Diode bzw. bei einem synchronen Abwärtswandler am Drain-Anschluss des zweiten MOSFET, befindet sich der „Hot Node“, der in der Blockschaltung grün markiert ist. An diesem Punkt lässt sich die geschaltete Eingangsspannung in voller Amplitude messen. Das Schaltsignal weist an diesem Punkt ein besonders hohes ∆U/∆t auf, wodurch eine unerwünschte E-Feld-Antenne entsteht.

Parasitäre Koppelkondensatoren

Die Leiterbahnen und Kupferflächen der Platine bilden zusammen mit dem verwendeten PCB-Material (z.B. FR4) an diesem Punkt unerwünschte, parasitäre Kondensatoren. Über diese parasitären Koppelkondensatoren fließt ein HF-Strom zur Referenzmasse. Dieser Strom ist die hauptsächliche Ursache für Gleichtaktstörungen (Common Mode). Es gilt daher, im Layout die flächenmäßige Ausdehnung an diesem Punkt möglichst klein zu halten.

Die „Punkt“-Markierung auf der Speicherinduktivität ist der Wicklungsanfang (innen) und sollte in Richtung des „Hot Nodes“ ausgerichtet bzw. dort angeschlossen sein.

Wie in Bild 2 ersichtlich, ist der „Single-Point“-Massebezug, der Power Ground, in der Anordnung der Bauelemente ein Weg zum Erfolg. Platziert man den Eingangskondensator, den Ausgangskondensator, die Diode und den Controller geschickt, dann treffen sich die Massepads dieser Bauteile an nur einem Punkt. Somit können sowohl die unerwünschten H-Feld-Schleifen als auch die parasitären Induktivitäten weitestgehend minimiert werden.

Wird ein Eingangsfilter verwendet, so sollte dieser mit etwas Abstand zum Abwärtswandler platziert werden. Dadurch bleibt der Massebezug der Filterkondensatoren weitestgehend störungsfrei und die Gefahr einer direkten Feldkopplung in die Filterbauteile ist geringer.

Um die potentiellen Störungen durch ein hohes ∆I/∆t weiter zu reduzieren, ist es unerlässlich, den Eingangskondensator sehr nahe am Vin-Pin (Drain Anschluss des internen oder externen High-Side-MOSFET) des Abwärtsreglers zu platzieren. Im Bootstrap-Kreis fließt ebenfalls ein sehr hohes ∆I/∆t. Daher ist es wichtig, den Bootstrap-Kondensator unmittelbar am zugehörigen Abwärtsregler-Pin zu platzieren (Bild 3 und 4).

Unerwünschte Schwankungen der Ausgangsspannung lassen sich gering halten, wenn das Feedback-Widerstandsnetzwerk ebenfalls nahe am Regler platziert wird. (kr)

* Andreas Nadler ist Applikationsingenieur bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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