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© Analog Devices Inc. Application Notes | 21 Mai 2021

Wenn die Erden getrennt sind

Wie ist bei Schaltreglern mit analoger Masse (AGND) sowie mit power Masse (PGND) zu verfahren?

Diese Frage stellen sich viele Entwickler welche ein Schaltnetzteil entwerfen. So mancher ist den Umgang mit digital GND und analog GND gewöhnt. Bei Power GND hört häufig die Erfahrung auf. Entwickler kopieren dann häufig das Platinenlayout eines ausgewählten Schaltreglers und kümmern sich nicht weiter um diese Frage. PGND ist die Masseverbindung über die höhere gepulste Ströme fließen. Je nach Schaltreglertopologie sind das die Ströme durch einen Leistungstransistor, oder auch die gepulsten Ströme eines Leistungstreibers. Dies ist besonders bei Schaltkontrollern, also mit externen Leistungsschaltern, relevant. AGND, manchmal auch SGND (Signalmasse genannt), ist die Masseverbindungen auf welche sich die weiteren, meistens sehr ruhigen Signale als Referenz beziehen. Diese umfassen beispielsweise die interne Spannungsreferenz, welche für die Regelung der Ausgangsspannung nötig ist. Auch soft-start und enable Spannungen beziehen sich auf den AGND Anschluss. Zum richtigen Umgang mit diesen beiden Masseanschlüssen gibt es zwei unterschiedliche technische Philosophien und dadurch verschiedene Meinungen unter Experten. Bild 1. Lokale Verbindung zwischen PGND und AGND direkt bei den Lötkontakten Die einen sagen, die AGND und PGND Anschlüsse eines Schaltregler ICs müssen gleich neben den jeweiligen Pins miteinander verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass der Spannungsversatz zwischen beiden Pins dadurch relativ gering bleibt. So kann der Schaltregler IC vor Störungen und sogar einer Zerstörung geschützt werden. An diesen Verbindungspunkt würde man sternförmig alle Masseverbindungen der Schaltung, sowie eine mögliche Masseebene anbinden. Bild 1 zeigt ein Beispiel für diese Philosophie. Hier ist das Platinenlayout eines LTM4600 dargestellt. Dies ist ein 10A step-down Micromodul. Direkt neben den separat auf die Platine geführten Masseverbindungen sind diese miteinander verbunden (blaues Oval). Durch die parasitäre Induktivität der jeweiligen Bondingdrähte zwischen Silizium und Gehäuse, sowie die Induktivität der jeweiligen Pins besteht bereits eine gewisse Entkopplung zwischen PGND und AGND, sodass die Schaltungen auf dem Silizium sich nur wenig gegenseitig stören. Die andere Philosophie ist ein weiteres Trennen des AGND und PGND auf der Platine, bis hin zu zwei getrennten Masseebenen welche an einer Stelle verbunden sind. Dadurch bleiben Störende Signale (Spanungsversatz) weitgehend im PGND Bereich und die Spannung im AGND Bereich bleibt sehr ruhig und recht gut von PGND entkoppelt. Der Nachteil ist jedoch, abhängig von den Transienten der gepulsten Ströme und auch den vorkommenden Stromstärken, ein durchaus signifikanter Spannungsversatz zwischen PGND und AGND an den jeweiligen Pins. Dieser kann dazu führen, dass ein Schaltregler IC nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert oder sogar Schaden nimmt. Bild 2 zeigt ein Beispiel für diese Philosophie. Es stammt von einem ADP2386, einem 6A step-down Schaltregler. Bild 2. Getrennt geführte AGND und PGND. Verbindung unter dem GND Tab durch Vias. Somit ist die Antwort, wie mit den beiden Erden, AGND und PGND, zu verfahren ist nicht ganz eindeutig zu beantworten. Deshalb gibt es wohl auch noch immer diese Diskussion. Am Anfang dieses Textes hatte ich erwähnt, dass viele Nutzer eines Schaltreglers das Platinenlayout und die Art der Masseverbindung aus der Beispielschaltung des IC Herstellers übernehmen. Diese Vorgehensweise ist durchaus sinnvoll, da man üblicherweise davon ausgehen kann, dass der Hersteller den jeweiligen IC in dieser Anordnung auch getestet hat. Ebenfalls kann man bei den Beispielen von Bild 1 und Bild 2 erkennen, dass das jeweilige Pinout eines ICs sich entweder für eine lokale Masseverbindung eng an PGND und AGND, oder einen getrennteren Masseverlauf eignet. Natürlich können einem IC Hersteller bei dem Entwurf von Beispielschaltungen auch Fehler unterlaufen. Deshalb ist es gut über die Hintergründe Bescheid zu wissen.
Author: Frederik Dostal, © Analog Devices
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