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© Analog Devices Inc. Application Notes | 18 Juni 2021

Wo soll die Spule hin?

Schaltregler zur Spannungswandlung verwenden Induktivitäten um Energie zwischen zu speichern. Diese Induktivitäten sind recht große Bausteine und müssen im Platinenlayout eines Schaltreglers platziert werden.

Diese Aufgabe ist nicht allzu schwierig, da sich der Strom durch eine Induktivität zwar verändern kann, nicht jedoch schlagartig. Es kann nur kontinuierliche, üblicherweise relativ langsame Veränderungen geben. Schaltregler schalten den Stromflusspfad zwischen zwei verschiedenen Wegen hin und her. Dieses Umschalten erfolgt sehr schnell und ist abhängig von der Dauer der Schaltflanken. Die daraus resultierenden Leiterbahnverbindungen, welche beim einen Schaltzustand Strom führen und zum anderen Schaltzustand keinen Strom führen nennt man ‚Hot Loops‘ oder auch ‚AC‘ Strompfade. Diese sind in einem Platinenlayout besonders klein und kurz zu halten um möglichst wenig parasitäre Induktivität in diesen Leiterbahnen zu haben. Parasitäre Leitungsinduktivitäten erzeugen einen ungewollten Spannungsversatz und daraus resultieren EMV Störungen. Bild 1. Schaltregler zur Abwärtswandlung mit kritischer Hot Loops in grün In Bild 1 ist ein Step-Down Schaltregler gezeigt, bei welchem die kritischen Hot Loops in grün markiert sind. Es ist zu erkennen, dass die Spule L1 nicht Teil der Hot Loop ist. Somit könnte man davon ausgehen, dass die Platzierung dieser Induktivität unkritisch ist. Es ist richtig, dass die Induktivität außerhalb der Hot Loop liegt und somit die Platzierung in erster Instanz zweitrangig ist. Dennoch sind einige Reglern zu beachten. Es sollten keine sensiblen Steuerleitungen unter einer Induktivität durchgeführt werden. Weder direkt auf der Platinen Oberfläche noch unterhalb, in inneren Lagen, oder auf der Rückseite der Platine. Die Spule erzeugt durch den Stromfluss ein Magnetgeld, welches sich auf schwache Signale in einem Signalpfad auswirken kann. In einem Schaltregler ist einer der kritischen Signalpfade der Feedbackpfad, welcher die Ausgangsspannung mit dem Schaltregler IC oder auch einem Widerstandsteiler verbindet. Bild 2. Beispielschaltung mit einem ADP2360 Abwärtswandler mit Platzierung der Spule Zu beachten ist ebenfalls, dass eine wirkliche Spule neben einer Induktivität auch noch eine kapazitive Wirkung hat. Die ersten Spulenwindungen sind direkt mit dem Schaltknoten eines Step-Down Schaltreglers verbunden, wie in Bild 1 gezeigt. Somit ändert sich die Spannung genauso stark und so schnell wie die Spannung am Schaltknoten. Bei sehr schnellen Schaltzeiten und hohen Eingangsspannungen der Schaltung ergibt sich ein durchaus beachtlicher Kopplungseffekt auf andere Pfade auf der Platine. Also auch deshalb, empfindliche Leiterbahnen von dem Ort der Spule fernhalten. Bild 2 zeigt ein Beispiel Layout mit dem ADP2360. Hier ist die wichtige Hot Loop aus Bild eins in grün eingezeichnet. In Gelb ist der Feedbackpfad, mit Abstand zur Spule L1, zu erkennen. Er befindet sich auf einer inneren Lage der Platine. Manche Entwickler gehen so weit, dass sie keinerlei Kupferlage in der Platine unterhalb der Spule haben wollen. Sie würden beispielsweise selbst in einer Masselage eine Aussparung unterhalb der Induktivität vorsehen. Das Ziel ist es, Eddy-Ströme unterhalb der Spule, in der Masseebene, verursacht durch das Magnetfeld der Spule zu verhindern. Dieser Ansatz ist zwar nicht falsch, Argumente für eine durchgezogene Masseebene ohne Unterbrechung sind jedoch:
  • Eine Masseebene zur Schirmung funktioniert am besten wenn sie nicht unterbrochen ist.
  • Wärmeabfuhr funktioniert besser, je mehr Kupfer eine Platine hat
  • Auch wenn Eddy-Ströme erzeugt werden, fließen diese Ströme lokal, verursachen nur geringe Verluste und stören die Funktion einer Masseebne kaum.
Somit bin ich ein Verfechter für eine durchgezogene Masselage auch unterhalb der Spule. Zusammenfassend können wir feststellen, dass die Spule eines Schaltreglers nicht Teil der kritischen Hot Loop ist, dass es aber durchaus sinnvoll ist, Steuerleitungen nicht unter oder sehr nahe an der Spule zu führen. Verschiedene Ebenen der Platine, beispielsweise für Masse, oder auch für Vdd (Versorgungsspannung) dürfen kontinuierlich, ohne Aussparungen, erstellt werden.
Frederik Dostal [frederik.dostal@analog.com] studierte Mikroelektronik an der Universität Erlangen-Nürnberg, Deutschland. Er begann seine Tätigkeit im Power-Management-Geschäft im Jahr 2001 und war in verschiedenen Anwendungspositionen tätig, darunter vier Jahre in Phoenix, Arizona, wo er an Schaltnetzteilen arbeitete. Er kam 2009 zu © Analog Devices und arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.
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2021.07.15 08:57 V18.20.2-1