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© Linear Technology Komponenten | 11 Februar 2013

Das Layout von Stromversorgungen und die Auswirkung auf die EMI

Das Leiterplattenlayout entscheidet ĂŒber den Erfolg oder Misserfolg von praktisch jedem Stromversorgungsprojekt. Es bestimmt das funktionelle und thermische Verhalten sowie die elektromagnetischen Interferenzen (EMI).
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Einleitung Das Layout eines Schaltnetzteiles ist keine schwarze Magie. Oft findet dies viel zu spĂ€t im Entwicklungsprozess die nötige Beachtung. GlĂŒcklicherweise steht einem die Physik zur Seite um die Anforderungen an die Funktion und die EMI zu erfĂŒllen. Was der stabilen Funktion hilft, ist auch gut fĂŒr geringe Interferenzen. Ein gutes Layout bereits beim ersten Prototypen fĂŒhrt zu keinen höheren Kosten, sondern spart signifikante Ressourcen bei EMI-Filtern, mechanischer Schirmung, EMI-Testzeit und zusĂ€tzlichen PC-Board-Runs. Diese Applikationsschrift fokussiert primĂ€r auf nicht isolierte Topologien, wird aber auch einige isolierte Topologien untersuchen. Ziel ist, ein optimales Leiterplattenlayout fĂŒr ein robustes Stromversorgungsdesigns zu finden. Ich erinnere mich gut, als vor rund einem Dutzend Jahren ein Anwender zum ersten Mal ein Schaltnetzteil in einem Autoradio einsetzte. Viele seiner Kollegen sagten, dass dies nicht funktionieren wird. Nachdem jedoch einige Dinge im Layout und der Eingangsfilterung korrigiert wurden, arbeitet alles perfekt. SpĂ€ter setzte ein Anwender erfolgreich den LT1940 ein, einen abwĂ€rts wandelnden 1-MHz-Dual-Schaltregler, der im EmpfĂ€nger eines Autoradios mitten im AM-Band arbeitete. Es war dazu keine zusĂ€tzliche mechanische Schirmung fĂŒr die Stromversorgung nötig; es war alles nur eine Frage der Platzierung und des Layouts. Um dies zu erreichen benötigten wir einige physikalische Grundlagen. Bei potenzialgebundenen Stromversorgungen ist eine der einfachsten Topologien der AbwĂ€rtswandler. Die EMI-Störungen werden in Schleifen mit großen Stromsteilheiten (di/dt) erzeugt. Die Stromversorgungszuleitungen sowie auch der Verbraucher dĂŒrfen keine hohen AC-Ströme tragen. Deshalb kann man die Analyse auf den Bereich zwischen dem Eingangskondensator CIN, der alle relevanten AC-Ströme liefert, und dem Ausgangskondensator COUT, wo alle AC-Ströme enden, beschrĂ€nken.
Bild 1 ----- Bild 2 ----- Bild 3 ----- Bild 4 ----- Bild 5
WĂ€hrend der On-Periode in dem S1 geschlossen und S2 offen ist, fließt der AC-Strom in der roten Schleife (Bild 1). WĂ€hrend der Off-Periode, in dem S1 offen und S2 geschlossen sind, folgt der AC-Strom der blauen Schleife. Beide Ströme sind trapezförmig. HĂ€ufig macht es Schwierigkeit zu verstehen, dass die Schleife, die die höchste EMI generiert, weder die rote noch die blaue ist. Nur in der grĂŒnen Schleife fließt ein vollstĂ€ndig geschalteter AC-Strom, der von Null auf IPEAK und wieder zurĂŒck auf Null geschaltet wird. Deshalb nenne ich die grĂŒne Schleife die „heiße“ Schleife, da sie die höchste AC- und EMI-Energie enthĂ€lt. Um die EMI zu reduzieren und die FunktionalitĂ€t zu verbessern, ist der abstrahlende Effekt der grĂŒnen Schleife so weit wie möglich zu reduzieren. Wenn man die LeiterplattenflĂ€che der grĂŒnen Schleife auf Null reduzieren kann, und einen idealen Eingangskondensator ohne Impedanz kaufen könnte, dann wĂ€re das Problem gelöst. Das ist in der realen Welt leider nicht zu kaufen. Die Aufgabe des Entwicklers ist es also, den optimalen Kompromiss zu finden. Wirft man einen Blick, auf das Layout eines LT8611-AbwĂ€rtswandlers (Bild 3), erkennt man, dass dieser Baustein zwei interne Schalter hat, so dass man sich nur um die Verbindung zum Eingangskondensator kĂŒmmern muss. Bild 2 zeigt den Schaltplan. FĂŒr den Layouter ist die „heiße“ Schleife nicht einfach zu erkennen. In Bild 3 zeigt die grĂŒne Linie die heiße Schleife in der obersten Lage. Der AC-Strom fließt durch den Eingangskondensator und die beiden Schalter im IC. Abgebildet ist das LT8611-Demo-Board DC1750A. Die Stromdichte im Querschnitt der „heißen“ Schleife Ă€hnelt der Darstellung in Bild 4. Schauen wir mal, um wie viel eine Kurzschlussschleife oder eine solide KupferflĂ€che unter der „heißen“ Schleife die Funktion und das EMI-Verhalten der Schaltung verbessert? Das Ergebnis eines Versuchs mit einer rechteckigen Schleife mit 10 x 10cm bei 27MHz ist in Tabelle 1 aufgelistet. Die Tabelle zeigt, wie viel Verbesserung eine solide KupferflĂ€che unter den Leitungen der „heißen“ Schleife auf der obersten Lage ergibt. Die erste Zeile ist eine einlagige Platine ohne KupferflĂ€che. Die Induktanz der Rechteckwindung auf einer einlagigen Platine von 187nH sinkt auf nur 13nH, wenn man eine solide KupferflĂ€che in 0,13mm Abstand unter der Rechteckwindung anordnet. Eine solide FlĂ€che auf der nĂ€chsten Lage in einer Multilayer-Leiterplatte (vier Lagen und darĂŒber) wird eine mehr als dreimal geringere Induktanz aufweisen, als eine normale 1,5 mm dicke zweilagige Leiterplatte und ĂŒber 14mal weniger im Vergleich zu einer einlagigen Leiterplatte ohne KupferflĂ€chen. Eine solide MasseflĂ€che (Plane) mit minimalem Abstand zur „heißen“ Schleife ist eine der effektivsten Methoden die EMI zu reduzieren. Sind ebene KupferflĂ€chen groß gegen die abzuschirmende Schleife, so halbieren sich die abgestrahlten magnetischen Felder (6dB DĂ€mpfung) mit jeder Halbierung des Abstands zwischen Schleife und KupferflĂ€che.
Tabelle 1 ----- Bild 6 ----- Bild 7 ----- Bild 8 ----- Bild 9
Dadurch ergibt sich der gravierende Unterschied einer Vier- oder Mehr-Lagen-Platine mit typisch 0,2mm Dielektrikum von der Top-Lage zur zweiten Lage KupferflĂ€che im VerhĂ€ltnis zu einer nur zwei-lagigen Platine mit ca. 2mm Abstand zwischen Top-Lage und KupferflĂ€che auf der Unterseite. Der Unterschied im abgestrahlten magnetischen Feld betrĂ€gt rund 20dB. Wo fließt der Strom in der Plane? Das magnetische AC-Feld der „heißen“, grĂŒnen Schleife in der obersten Lage generiert Wirbelströme in der MasseflĂ€che (Plane), siehe Bild 5. Diese Wirbelströme generieren wiederum ein magnetisches AC-Spiegelfeld, das dem Feld der „heißen“ Schleife (rote Leitung) entgegen wirkt. Beide magnetischen Felder heben sich gegenseitig auf. Dies wirkt umso besser, je nĂ€her der Spiegelstrom an der „heißen“ Schleife angeordnet ist. Der Strom lĂ€uft in der obersten Lage praktisch im Kreis. Der mittlere Strompfad in der Abschirmung ist der gleiche Kreislauf direkt unter der obersten Lage. Beide Ströme sind nahezu gleich. Da der Strom in der MasseflĂ€che genau so groß wie der Strom in der obersten Lage sein muss, wird er soviel Spannung an der MasseflĂ€che erzeugen wie nötig ist, um den Strom aufrecht zu erhalten. FĂŒr die Außenwelt sieht das wie GND-Bounce aus. Aus Sicht der EMI sind kleine, „heiße“ Schleifen am besten. Ein Stromversorgungs-IC mit integrierten Sync-Schaltern, optimiertem Pin-out und sorgfĂ€ltiger interner Schaltersteuerung wird bezĂŒglich EMI ein nicht synchronisiertes Stromversorgungs-IC mit externer Schottky-Diode bei weitem ĂŒbertreffen. Und beide werden mit ihren Eigenschaften wiederum eine Controller-Lösung mit externen MOSFETs ĂŒbertreffen. Ein AufwĂ€rtswandler kann im „Continuous Mode“ wie ein AbwĂ€rtswandler betrachtet werden, der rĂŒckwĂ€rts arbeitet. Die „heiße“ Schleife ist hier identifiziert als der Unterschied zwischen der blauen Schleife wenn S2 geschlossen ist und der roten Schleife (Bild 6) mit offenem S2 und geschlossenem S1. Die „heiße“ Schleife des AufwĂ€rtswandlers und LED-Treiber/Controllers LT3956 ist in grĂŒn dargestellt (Bild 7). Die zweite Lage ist eine solide MasseflĂ€che. Die grĂ¶ĂŸte EMI abstrahlende Komponente ist die magnetische Antenne, die die „heiße“ Schleife bildet. Die FlĂ€che dieser heißen Schleife und ihre InduktivitĂ€t hĂ€ngen eng zusammen. Wer sich gut InduktivitĂ€t auf Leiterbahnebene vorstellen kann, sollte diese soweit wie möglich verringern. Wer in Antennendesign denkt, reduziert die effektive FlĂ€che der magnetischen Antenne. Der Auf-/AbwĂ€rtswandler mit vier Schaltern und einer einzigen Spule (Bild 8) besteht aus einem AbwĂ€rtswandler, gefolgt von einem AufwĂ€rtswandler. Das Layout wird hĂ€ufig durch einen gemeinsamen Massestrom-Shunt verkompliziert, durch den beide „heißen“ Schleifen fĂŒhren.
Bild 10 ----- Bild 11 ----- Bild 12 ----- Bild 13 ----- Bild 14
Das LTC3780-Demo-Board DC1046A (Bild 9) zeigt eine elegante Lösung und teilt den einen Shunt in zwei parallele auf. Die etwas unkonventionell gezeichnete SEPIC-Schaltung zeigt in Bild 10 ihre „heiße“ Schleife. FĂŒr den Top-Schalter wird statt eines aktiven MOSFET hĂ€ufig eine Diode benutzt. Das LT3757-Demoboard DC1341A (Bild 11) zeigt ein gutes SEPIC-Layout. Die FlĂ€che der grĂŒnen „heißen“ Schleife ist minimiert und hat eine solide MasseflĂ€che auf der nĂ€chsten Lage. Die invertierende Topologie (Bild 12) ist der eines SEPIC Wandlers sehr Ă€hnlich. Die Position der Last ist durch den Top-Schalter und die Top-Spule verschoben. Die Layouts sind sehr Ă€hnlich. Demoboards können einfach von SEPIC auf invertierend modifiziert werden, sofern der Regler positive wie negative Feedback-Spannung – wie z.B. der LT3581 oder der LT3757 – beherrscht. Die Sperrwandler-Topologie (Bild 13) verwendet mindestens zwei separate Windungen des Trafos und es gibt nur die magnetische Kopplung zwischen der PrimĂ€r- und SekundĂ€rwicklung. Der Strom in der PrimĂ€rwicklung geht mit relativ großem di/dt auf Null; nur die in der StreuinduktivitĂ€t gespeicherte Energie und die KapazitĂ€ten zwischen Wicklungen und ĂŒber dem Schaltknoten verlangsamen dies. Die PrimĂ€r- und weitere Trafo-Wicklungen können als vollstĂ€ndig geschalteter Strom angesehen werden. Man erhĂ€lt wie im Falle des Auf-/AbwĂ€rtswandlers (Bild 8) zwei „heiße“ Hauptschleifen. Um die EMI zu reduzieren werden zusĂ€tzlich zu den möglichst kleinen Schleifen in der Eingangs- und Ausgangskreis-Blockung fĂŒr die EMI im differenziellen Modus Gleichtaktdrosseln benutzt, fĂŒr die in dieser Topologie auftretende oft dominante Gleichtakt-EMI. Details der Trafokonstruktion bestimmen die magnetischen Felder wie auch die KoppelkapazitĂ€t zwischen den Wicklungen. Andere AC-Schleifen Die „heiße“ Schleife mit dem Schaltstrom ist die grĂ¶ĂŸte Quelle fĂŒr HF-Energie. FĂŒr den Betrieb des IC und der Schaltung sind jedoch weitere AC-tragende Schleifen erforderlich. Alle Schaltungen benötigen eine Treiberversorgung fĂŒr den Hauptschalter. Im Falle eines AbwĂ€rtswandlers wird dazu der gleiche Eingangskondensator benutzt wie fĂŒr die „heiße“ Schleife. Andere ICs verwenden eine separate Spannung fĂŒr die Treiberschaltung, hĂ€ufig als INTVCC bezeichnet (Bild 14). Man macht die INTVCC–Kondensator-PGND- und GND-Schleifen so klein wie möglich und schirmt sie mit einer soliden MasseflĂ€che in der nĂ€chsten Lage ab. Die EMI-Energie liegt in der GrĂ¶ĂŸenordnung von 20dB unter der in der „heißen“ Hauptschleife.
Bild 15 ----- Bild 16 ----- Bild 17 ----- Bild 18 ----- Bild 19
Jede ĂŒbermĂ€ĂŸige InduktivitĂ€t in der INTVCC-Schleife verschlechtert das Verhalten des ICs. Der INTVCC–Kondensator entkoppelt neben dem Schalttreiber interne empfindliche und breitbandige Schaltungen, wie Stromkomparatoren, Referenz- und FehlerverstĂ€rker, die sehr hĂ€ufig von INTVCC versorgt werden. Bild 15 ist eine FFT-Darstellung des Stroms im INTVCC–Entkoppelkondensator (C2 in Bild 17). Bild 16 ist eine FFT-Darstellung des Stroms im Eingangskondensator (C6 in Bild 17). Die HF-Energie ist ĂŒber 20dB höher als in der INTVCC–Schleife. Die LTspice-Schaltung LT8610 (Bild 17) verwendet L2 mit einem hohen Verlustwiderstand RPAR = 1Ω, um die ideale LTspice-Spannungsquelle mit Null Impedanz, V1, vom Eingangskondensator, C6, zu entkoppeln. Besonders zu beachten ist: Die Schaltreglermodelle in LTspice sind dazu entwickelt, die Funktion des ICs zu simulieren. Entsprechende Vorsicht sollte bei Extrapolation von HF-Verhalten walten. Die Modelle erfassen viele interne und externe parasitĂ€re Elemente sowie das Layout nicht. Trotzdem ist es ein wertvolles Werkzeug, um eine AbschĂ€tzung von nur schwer zu messenden Effekten zu erhalten. Controller mit externen Schaltern Nach der „heißen“ Hauptschleife und der INTVCC–Entkoppelschleife, sind die nĂ€chsten EMI-Problemquellen hĂ€ufig Gateströme. Selbst moderne MOSFETs haben eine effektive EingangskapazitĂ€t im ein- bis zweistelligen Nanofarad-Bereich. Ihre Treiber haben oft Treiberströme im Bereich von einigen Ampere, mit Anstiegs- und Abfallzeiten, im einstelligen Nanosekundenbereich. Bild 18 ist die FFT-Darstellung des Gate-Stroms in Q2 hinein aus dem Bild 19. Die grĂŒne Schleife in Bild 19 zeigt den Strompfad fĂŒr den Bottom-Gate-Strom. Er wird von C1 gespeist. Auch diese Schleife soll klein sein. Die Verbindung von Q2-Source GND nach C1 GND wird einfach mit einer soliden GND-FlĂ€che in der nĂ€chsten Lage unter der Komponentenlage realisiert. Die roten und grĂŒnen Schleifen (Bild 20) zeigen die Top-Gate-Treiberstromschleifen. Sie werden gespeist vom Boost-Kondensator C2. Der RĂŒckweg ist die SW-Verbindung zum Controller-IC. Man muss die rote Schleife (TG Pin zu SW Pin) klein halten und die Leitungen parallel mit nur geringem Abstand platzieren. Wenn C2 nahe am Controller-IC platziert wird, wird die grĂŒne Schleife ebenfalls klein. Die grĂŒne Schleife (Bild 21) zeigt das erneute Aufladen des Boost-Kondensators. Wenn man die genannten Schleifen bereits klein gemacht hat und D1 relativ nahe platziert hat, dann ist diese Schleife ebenfalls klein. Passive Antennen, wie magnetische Antennen oder Schleifen, arbeiten reziprok, ihre Sende- und Empfangscharakteristika sind dieselben.
Bild 20 ----- Bild 21 ----- Bild 22 ----- Bild 23 ----- Bild 24
Der Stromsense-verstĂ€rker in Bild 22 ĂŒberwacht mit hoher Bandbreite bei SENSE+ and SENSE– die kleine Shuntspannung an R1, um den ON-Cycle des Topschalters zu terminieren. Selbst Rauschen im Sub-Millivolt-Bereich ergibt duty cycle Jitter. Die Koppelung der Senseschleife zu den bisher besprochenen Schleifen sollte minimal sein. Diese aufgespannte SchleifenflĂ€che soll klein sein, deshalb macht man den Abstand zwischen den SENSE+- und SENSE–-Leitungen minimal. Dann platziert man die Schleifenleitungen, möglichst auf der anderen Seite einer SchirmflĂ€che wie die Schleifen mit hoher Stromsteilheit. Wenn genĂŒgend Lagen verfĂŒgbar sind, können die SENSE+- und SENSE–-Leitungen genau ĂŒbereinander liegen, wenn es keine signifikanten magnetischen AC-Felder parallel zu den Lagen der Leiterplatte gibt. Sollte eine SENSE+- und SENSE–-Filterung eingesetzt werden, platziert man das Filter nahe an das Controller-IC, da R1 immer niederohmig ist und die Sense-EingĂ€nge eine höhere Impedanz aufweisen. Die „heiße“ Hauptschleife mit dem höchsten di/dt in Bild 23 besteht aus den externen MOSFETs Q1 und Q2 und dem nĂ€chsten Entkoppelkondensator mit geringer Impedanz C7. Dies ist die Schleife mit der höchsten HF-Energie in einer Controller-Lösung. Wie SchirmflĂ€chen wirken Magnetische DC-Felder dringen nahezu ungestört durch Luft, FR4-Epoxy-Dielektrika und Kupfer. Magnetische AC-Felder werden nur durch die induzierten Ströme in einem Leiter beeinflusst – ĂŒblicherweise Kupfer, Zinn oder Ă€hnliches. Deshalb kommen, abgesehen von ferromagnetischen Materialien, Ströme als die einzige Quelle in Betracht, um magnetische AC-Felder in einer typischen Baugruppenumgebung zu Ă€ndern oder zu dĂ€mpfen. Man weiß aus Versuchen, dass komplett leitende GehĂ€use eine sehr hohe DĂ€mpfung aufweisen, weit ĂŒber 100dB ĂŒber einen sehr großen Frequenzbereich oberhalb des AM-Bandes. Keksdosen sind ein populĂ€res Beispiel und werden von Entwicklern gerne benutzt, um empfindliche Baugruppen abzuschirmen, damit Hochfrequenzmessungen (HF) durchgefĂŒhrt werden können. SchirmgehĂ€use kann man in rechteckigen Formen kaufen, die sich besser fĂŒr Leiterplatten und HF-Steckverbinder wie BNC, N SMA etc. eignen. Praktischen gesehen verlassen magnetische HF-Felder geschlossene leitende Boxen nicht, solange die WandstĂ€rke dicker ist wie die Eindringtiefe des Skineffekts. Selbst darunter wird bis in den Audiobereich eine hohe DĂ€mpfung erzielt. Wenn man das leitende GehĂ€use wie einen Luftballon groß genug aufblĂ€st, so dass es eine flache Wand zwischen uns und dem AC-Strom ergibt, mĂŒssen die Wirbelströme im Schirmungsmaterial ein magnetisches AC-Feld generieren, das das Feld des originalen AC-Stroms hinter der Wand aufhebt (Bild 24). Die Wirbelströme in der Schirmung sind genau so groß, so dass sie jedes magnetische AC-Feld unterhalb des Wirbelstromfeldes eliminieren (Bild 25)
Bild 25 ----- Bild 26 ----- Bild 27 ----- Bild 28 ----- Bild 29
Wie effektiv ist eine SchirmflĂ€che? WĂ€ren die KupferflĂ€chen der Leiterplatte nicht elektrisch leitend, wĂ€ren sie durchlĂ€ssig wie ein Blatt Papier fĂŒr jedes magnetische Feld. Der Strom im Kupfer ist die einzige Einflussquelle auf das magnetische Feld. Die fĂŒr Wirbelströme verfĂŒgbare Energie wird in der Schirmung induziert. Solche Ströme eliminieren jedes magnetische Feld innerhalb der Kupferschirmung und außerhalb in der Richtung weg vom induzierten Strom, innerhalb der Grenzen des Skin und Proximity Effekts (Bild 26). Die Symmetrieebene ist die Ebene, in der sich das magnetische Feld von den induzierten Strömen (z.B. von der „heißen“ Schleife) und induzierten Strömen in der Schirmung aufhebt. Deshalb liegt sie in der Mitte zwischen den AC-Strömen, die bei gleicher GrĂ¶ĂŸe in entgegen gesetzten Richtungen fließen. Die Lage der Symmetrieebene kann meist sehr leicht abgeschĂ€tzt werden und hilft dabei sich vorzustellen, wie die verbleibenden AC-Felder aussehen. Je nĂ€her die Symmetrieebene zur Lage mit dem induzierten Strom liegt, desto besser ist die Sperrwirkung. Die Induktanz ist das Integral des magnetischen Felds; das gleiche magnetische Feld, das die Nahfeld-HF-Antenne bildet. Alle diese Effekte werden reduziert, wenn die Eliminierungslage nĂ€her an die Schleife platziert wird, die den Strom induziert. Pro Halbierung des Abstands der Symmetrieebene zur Stromschleifenebene halbiert sich das magnetische Feld und man gewinnt 6dB Störabstand. Der Effekt lĂ€sst sich auch leicht berechnen bzw. simulieren. Erzeugt man rechnerisch eine zur Oberseite symmetrisch gegenlĂ€ufige „Geisterstromschleife“ in gleichem Abstand zur Symmetrieebene auf der Unterseite, so heben sich die magnetischen Felder in der Symmetrieebene vollstĂ€ndig auf, und schwĂ€chen die magnetischen Felder der Orginalstromschleife auf der Oberseite entsprechend ab. Man kann sich das so vorstellen, dass unterhalb der SchirmflĂ€che eine „Geisterschaltung“ mit symmetrisch umgekehrt laufenden Strömen existiert, deren Magnetfelder die auf der Oberseite abschwĂ€chen. Was wirkt noch besser? Wenn der Strom durch die MasseflĂ€che zurĂŒckfließt, ist die Situation etwas anders (Bild 27). Nun wird der Strom in der MasseflĂ€che nicht nur passiv induziert, sondern stellt einen aktiven RĂŒckfluss dar. Er ist zwangslĂ€ufig derselbe wie der Strom in der Top-Leiterbahn. Der Vorteil ist, dass die Symmetrieebene nun dichter an der induzierenden Leitung liegt. In diesem Fall auf der HĂ€lfte zwischen dem Strom der Top-Lage und dem zurĂŒckfließenden Strom in der MasseflĂ€che. Weil die Symmetreiebene nun den halben Abstand zum induzierten Strom hat, kann man sicher sagen, dass das magnetische Feld nun mindestens um Faktor 2 schwĂ€cher ist, verglichen mit der vorherigen Situation mit nur passiver Schirmung. Man gewinnt ca. 6dB gegenĂŒber der Lösung mit nur einer AbschirmflĂ€che ohne aktive Durchströmung Wenn möglich, fĂŒhrt man den zurĂŒckfließenden Strom in der nĂ€chsten Lage. Man macht ihre Isolation so dĂŒnn wie es gerade noch praktikabel ist. Es ist besser, dass der zurĂŒckfließende Strom in der am nĂ€chsten gelegenen Leiterbahn mit minimalem dielektrischem Abstand zum induzierten Strom fließt. Das ist, was solide MasseflĂ€chen per Definition machen. Standard-Multilayer-Boards haben oft sehr dĂŒnne Ă€ußere Dielektrika-Lagen, um die EMI zu reduzieren. Leitungsgebundene EMI-Messungen Bild 28 zeigt einen LT8611 mit Eingangsfilterung aus einem SMD-Bead und 4,7-”F-Keramikkondensator zwischen 30MHz und 400MHz. Die dargestellte Linie bei – 67dBm korrespondiert mit 40dB”V. Bild 29 zeigt eine Stromversorgung mit einem LT8610, bei 13V Eingangsspannung und 5V Ausgangsspannung sowie 1A Last leitungsgebunden bis zu 900MHz. In Bild 29 wird ein zusĂ€tzlicher BreitbandverstĂ€rker (LNA) mit 35dB VerstĂ€rkung verwendet. Deshalb korrespondiert die 100-dBm-Anzeige des Spektrumanalysators mit 135dBm, was dem thermischen Grundrauschen eines 50Ω-Systems mit 10kHz Bandbreite bei Raumtemperatur entspricht. Die Hauptenergie, die aus dem LT8610/LT8611 herausgefiltert werden muss, liegt unter 400MHz + 10dB”V korrespondiert hier mit 3,16ÎŒVRMS. EMI Optimierung Man prĂŒft zuerst den Lagenaufbau. Man verwendet möglichst eine Leiterplatte mit vier Lagen oder, wenn fĂŒr andere Schaltungsteile notwendig, mit noch mehr Lagen. Die zweite Lage von der BestĂŒckungsseite her gesehen hat typischerweise nur rund 200”m Abstand und wird als SchirmflĂ€che ausgefĂŒhrt. Diese SchirmflĂ€che wird die magnetischen Felder von Schleifen mit hohem di/dt wesentlich besser dĂ€mpfen als jede Schirmung, die ĂŒber 1mm entfernt in einer zwei-lagigen Leiterplatte liegt. Als Daumenwert gilt –6dB pro Halbierung des Abstands. In der Schirmung der „heißen“ Schleifen fließt als Integral der gleiche Strom wie in der obersten Lage als Wirbelstrom. Die Schirmung in der zweiten Lage ist nur solange funktionsfĂ€hig wie sie nicht durchbrochen oder durch Vias zerlöchert ist. Je nĂ€her man zu „heißen“ Schleifen auf der Oberseite kommt je solider sollte sie mit möglichst wenigen Via Löchern sein. Besser ist genĂŒgend Abstand zwischen den Vias, damit keine lĂ€nglichen Schlitze in der SchirmflĂ€che entstehen. Die Wirbelströme in der Schirmung der „heißen“ Schleife korrespondieren mit einer HF-Spannung in der SchirmflĂ€che. Diese möchte man nicht mit Durchkontaktierungen in Bereiche einkoppeln, die man störarm halten möchte. Die Wirbelströme nehmen mit der Entfernung ab, bleiben aber oft problematisch. Die Herausforderung beim Filtern des Eingangs und, wenn nötig, des Ausgangs ist hauptsĂ€chlich das Finden eines Bereichs der „ruhig“ genug ist. Der Masseanschluss von Eingangsfilterkondensatoren sollte in Bereichen liegen, die ruhig sind, möglichst weit weg von „heißen Schleifen“, z.B. auf der RĂŒckseite oder von Layern unterhalb des ersten Schirmlayers. Die Layer unterhalb des Schirmlayers sind kaum noch Wirbelströme aus der „heißen“ Schleife der Oberseite ausgesetzt. Vorsicht ist bei magnetischer Kopplung zwischen den Filterspulen und der Hauptspule geboten. Die Trafo-Aktion kann die DĂ€mpfung gefĂ€hrden. Man platziert deshalb Filterspulen immer mit Abstand zur Hauptspule. Man benutzt kurze Keramikkondensatoren, z.B. 0402, und möglichst flache Keramikkondensatoren. Blockkondensatoren mĂŒssen einen niedrigen Ersatzserienwiderstand (ESL) haben, der hauptsĂ€chlich ihre Impedanz diktiert. Weiterhin sollten sie möglichst flach sein, damit die darunter liegende SchirmflĂ€che maximal wirksam fĂŒr die magnetische Abschirmung ist. Es spricht nichts gegen die Parallelschaltung kleiner Bauformen, wie z.B. 0402-Kondensatoren, dicht an der „heißen“ Schleife und grĂ¶ĂŸeren Kondensatoren dahinter, die fĂŒr tiefere Frequenzen wirksamer sind. Der Wellenwiderstand der Streifenleitungen, z.B. der Eingangsspannungsleiterbahnen, liegt im Bereich einstelliger Ohmwerte. Der ESL eines Blockkondensators sollte so niedrig wie nur möglich sein. Man verwendet deshalb flache Kondensatoren möglichst kleiner BaugrĂ¶ĂŸe, mit Reverse-Geometry (breit, kurz, flach) oder einen Stapel an 0402-Kondensatoren in nĂ€chster NĂ€he zur Leiterbahn und die grĂ¶ĂŸeren GehĂ€use dicht dahinter. Jede LeitungslĂ€nge steigert signifikant die Induktanz von wenigen Hundert pH, die die kleinen Blockkondensatoren besitzen. Man muss sicherstellen, dass die Eingangsspannung und die RĂŒckfĂŒhrleitungen durch die Pads des Filterkondensators laufen. Dies vermeidet zusĂ€tzliche Leitungsinduktanz. Man sollte möglichst mehrere Vias dicht, aber in der Breite verteilt um den GND Anschluss des Filterkondensators legen. Die SchirmflĂ€che unter dem Kondensator und mit der SchirmflĂ€che kontaktiertes Kupfer rechts und links reduzieren die parasitĂ€re InduktivitĂ€t (ESL) weiter. ----- Author: Christian KĂŒck, Linear Technology Corporation
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2019.02.15 09:57 V12.1.1-2