Power-Tipp Was bringen Buck-Regler mit integrierten Kondensatoren?

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Abwärtswandler mit integrierten Kondensatoren sorgen für weniger elektromagnetische Abstrahlungen, vereinfachen das Stromversorgungsdesign und senken den Platzbedarf. Ein paar grundsätzliche Überlegungen.

Es ist beim Entwurf von Stromversorgungsschaltungen eine echte Herausforderung, einen hohen Wirkungsgrad und kleine Abmessungen zu kombinieren. Dazu kommen die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Störaussendungen, wie sie beispielsweise vom Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) vorgegeben werden.

Bei der Auswahl der Bauelemente geht es vorwiegend darum, einen geeigneten Kompromiss zu finden, mit dem sich die wichtigsten Designvorgaben einhalten lassen.

Abwärtswandler: Effizienz und thermische Eigenschaften

Abwärtswandler sind für hohe Effizienz und gute thermische Eigenschaften bekannt, gelten aber nicht gerade als Bausteine mit niedrigem Störaufkommen. Glücklicherweise gibt es jedoch eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die von solchen Bauelementen ausgehenden Störaussendungen einzudämmen. Zur Veranschaulichung zeigt Bild 1 das vereinfachte Blockschaltbild eines typischen Abwärtswandlers.

Natürlich müssen zunächst die passiven Bauelemente so dimensioniert werden, dass eine funktionsfähige Schaltung entsteht. Wenn das Design jedoch strikte EMI-Grenzwerte einhalten muss, sollte das Augenmerk danach als erstes auf das Leiterplatten-Layout gerichtet werden.

EMI Buck-Regler: Vorgabe geringe Störungen

Hier können Sie, wenn Sie zwei allgemeine Grundregeln beachten, bereits einen Großteil der abgestrahlten elektromagnetischen Störgrößen von Abwärtsregler-Boards minimieren. Als erstes kommt es darauf an, die von Leitern mit steilen Stromflanken umschlossene Fläche zu minimieren, indem der Eingangskondensator und der Boot-Kondensator möglichst nah an den U_IN- und GND-Pins des jeweiligen IC platziert werden. Gemäß der zweiten Regel gilt es, die Fläche von Knoten zu minimieren, an denen steile Spannungsflanken vorkommen.

Sollte eine Optimierung des Layouts ausgeschlossen sein, gibt es dennoch weitere Alternativen. Wie schon erwähnt, ist es überaus wichtig, die Fläche von Schleifen zu minimieren, in denen Ströme mit sehr steilen Flanken (d. h. hohen di/dt-Werten) fließen.

Schleifenfläche minimieren: Die Layout-Alternativen

Hierzu müssen Sie sich die Funktion eines Abwärtsreglers mit Blick auf das EMI-Geschehen vor Augen führen. Bekanntlich erzeugt ein Abwärtswandler aus einer eingangsseitigen Gleichspannung eine nied­rigere Ausgangsspannung, indem er die Verbindung zur Eingangsquelle zyklisch ein- und ausschaltet, was den in Bild 2 gezeigten Stromverlauf im High-Side-MOSFET (Q1) ergibt.

Die steilen Stromspitzen kommen vom Eingangskondensator. Im Fall der 36-V- Abwärtswandlers LMQ66430-Q1 (3 A) und LMQ61460-Q1 (6 A) sind die Hochfrequenz-Eingangskondensatoren bereits in den IC integriert, sodass der Eingangsstrom eine unerreicht kleine Fläche umschließt. Die daraus resultierende, minimale parasitäre Induktivität am Eingang reduziert die abgestrahlten Störgrößen deutlich.

Steile Stromspitzen treten auch in der zum Boot-Kondensator führenden Schleife auf. Dieser Kondensator führt dem high-seitigen MOSFET während der On-Intervalle Ladung zu und wird während der Off-Phasen von internen Schaltungen wieder aufgeladen.

Der Source-Anschluss des High-Side-MOSFETs ist mit dem Schaltknoten anstatt mit GND verbunden. Indem man den Boot-Kondensator auf den Source-Anschluss des MOSFET bezieht, ist sichergestellt, dass die Gate-Source-Spannung (U_GS) ausreichend hoch ist, um den MOSFET einzuschalten.

Bei den meisten Abwärtsreglern muss eine gewisse Schaltknoten-Fläche auf der Leiterplatte zum Anschluss des Boot-Kondensators vorgehalten werden, was dem Bestreben zuwiderläuft, die Fläche des Schaltknotens im Interesse eines niedrigen EMI-Niveaus zu minimieren. Im Fall des LMQ66430-Q1 ist deshalb auch der Boot-Kondensator integriert, sodass nicht nur die beiden eingangs genannten Layout-Regeln eingehalten werden, sondern auch ein weiteres externes Bauteil entfallen kann.

Fazit: Abwärtswandler mit integrierten Kondensatoren bringen folglich eine deutliche Vereinfachung für das Design von Stromversorgungen, die einerseits kompakt und effizient sein sollen und andererseits strenge EMI-Normen zu erfüllen haben.

* Harrison Overturf arbeitet als Applikationsingenieur bei Texas Instruments in Santa Clara / USA.

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