Power-Tipp Wie das Boardlayout eines Schaltreglers gelingt

Das Platinenlayout für Schaltregler ist eine kritische Sache. Es gibt einige Regeln für ein gutes Layout. Im Folgenden soll die wichtigste Regel erklärt werden. Wenn diese Regel verstanden ist, ist der Weg zu einem guten Boardlayout einfach.

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Bei allen Schaltreglern wird ein Stromfluss in kürzester Zeit ein- und abgeschaltet. Dieses Schalten der Ströme erfolgt so schnell wie möglich, um die Schaltverluste zu minimieren. Wenn man sehr langsam schalten würde, befände sich das Schaltelement für längere Zeit in einem Zwischenzustand mit hohem Flusswiderstand. Dies führt zu hohen Schaltverlusten. Hohe Schaltverluste zwingen den Entwickler zu niedrigen Schaltfrequenzen, was zu großen und teuren Bauteilen wie Induktivität und Ausgangskondensator führt. Somit werden sehr schnelle Schaltübergänge bevorzugt.

Jeder Leitungspfad hat eine gewisse Induktivität. Der exakte Wert ist abhängig von der Dicke und Breite der Leiterbahn sowie der geometrischen Anordnung. Als Faustregel wird häufig ca. 10 nH pro Zentimeter Leiterbahnführung angenommen.

Wir kennen eine der Grundzusammenhänge der Elektrotechnik zur Induktivität: U=L*di/dt. Wenn man also einen Stromfluss innerhalb einer gewissen Zeit über einer Induktivität ändert entsteht eine Spannung.

Um die Auswirkung an einem praktischen Beispiel zu berechnen, setzen wir typische Werte in diese Formel ein. Bei einer Stromversorgung mit einem Ausgangsstrom von 5 A, einer typischen Geschwindigkeit der Schaltübergänge in einem modernen Schaltregler von 30 ns und einer Leitungslänge von 3 cm mit einer parasitären Leitungsinduktivität von 30 nH ergibt sich ein Spannungsversatz von 5 V.

Wenn wir uns einen Schaltregler vorstellen, der von 5 V am Eingang und 3,3 V am Ausgang generiert, sind 5 V Spannungsversatz, erzeugt durch parasitäre Leitungsinduktivitäten, enorm. Diese Spannungsspitzen erzeugen Störungen bis hin zu nicht funktionierenden Schaltungen.

Dieses Verhalten erklärt, warum man einen Schaltregler zu Testzwecken nicht mit einem Steckbrett evaluieren kann. Ein Steckbrett hat hohe Leitungsinduktivitäten, welche einen hohen Spannungsversatz in einer Schaltreglerschaltung erzeugen würden. Dieser Spannungsversatz verhindert in den meisten Fällen die Funktion der gesteckten Schaltreglerschaltung.

Um den unerwünschten Spannungsversatz zu minimieren, müssen wir die parasitäre Leitungsinduktivität reduzieren. Dies erreicht man dadurch, dass die Leitungslängen derjenigen Pfade, welche einen schnell veränderlichen Stromfluss führen, so kurz wie möglich gemacht werden.

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