EMV-Optimiertes Schaltreglerlayout

nospam@example.com (Lothar Miller) — Thu, 25 Jun 2009 13:54:00 +0200

Bei einem Schaltreglerdesign (Abwärtswandler, Tiefsetzsteller, Step-Down-Converter, Buck-Converter oder Abwärtsregler) sind aus EMV-Gesichtspunkten vorrangig zwei Strompfade interessant:

Beim Laden der Spule:
Phase 1: Eingangs-C -> Schalter -> Spule -> Ausgangs-C -> Eingangs-C
Beim Freilauf:
Phase 2: Ausgangs-C -> Freilaufdiode -> Spule -> Ausgangs-C

Wie immer, wenn Ströme fließen, gilt es auch hier, die Flächen und Widerstände dieser Stromschleifen möglichst klein zu halten.

Nehmen wir als Ausgangspunkt einen Schaltregler mit dem LM2676, der 24V auf 5V wandeln soll:

Schaltplan Abwärtswandler mit LM2676

Bauteile:

Nummer	Wert
U104	LM2676-ADJ
C131	47u/35V
C132	10n
C133	150u/10V
R131	1k
R132	3k16
V120	30BQ060
L101	33u UP3B-330

Hier sind diese beiden Ströme GELB (Phase 1, Laden) bzw. ORANGE (Phase 2, Leerlauf) eingezeichnet:

Ladestrom gelb / Freilaufstrom orange

Als ersten Versuch mache ich daraus ein einseitiges Layout:

Platinenlayout einseitig

Schön, könnte man sagen. Alle Bauteile hübsch kompakt untergebracht, das ist schon was. Nur die Leiterbahnquerschnitte sind suboptimal, die könnten noch deutlich breiter werden. Aber der Knackpunkt kommt hier: wenn ich die Stromschleifen aus dem Schaltplan ins Layout übertrage, sieht das so aus:

Stromverlauf im einseitigen Layout

Mit einer doppelseitigen Platine wäre dagegen dieses Layout möglich:

Zweiseitiges Layout

Und hier die Stromschleifen:

Strompfade im doppelseitigen Layout

Schon mit wenig Phantasie kann man erkennen, dass das zweite Layout kompakter und aufgeräumter aussieht. Die Schleifen sind räumlich kleiner, die Leiterbahnquerschnitte großzügig und die Leiterbahnverläufe kurz.

In der Praxis hat dann auch das erste Layout bei der EMV-Messung signifikant schlechtere Werte. Nun könnte jemand sagen: Für mich ist das uninteressant, es ist mir egal, ob mein Regler andere stört. Zu Denken sollte aber geben, dass das Ganze ja kein Sender, sondern ein Spannungswandler sein soll. Und die Energie, die in die Luft abgestrahlt wird, kann nicht mehr am Ausgang herauskommen

Als kleine Verschärfung des Stromkreis-Prinzips ist dann noch die Forderung, dass möglichst keine Änderungen des Stromflusses zwischen den beiden Strompfaden sein sollte.

Zusammengefasst:
Idealerweise sind die beiden Strompfade (Laden und Freilauf) möglichst kompakt und möglichst gleich.

Aber auch die Erfassung und Rückführung der Ausgangsspannung über R132 und R131 sollte genau angeschaut werden. Bei der ersten (schlechteren) Variante fließt der Laststrom vom Ausgangskondensator zum Eingangskondensator und beeinflusst auf dem Rückweg das GND-Potential von R131. So kann (auch abhängig vom Laststrom) die Ausgangsspannung nicht zuverlässig erfasst und geregelt werden. Ein unruhiges Reglerverhalten ist das Ergebnis.
Das ist beim zweilagigen Design besser: hier sind die Last- und Messstromkreise komplett voneinander getrennt. Das Ergebnis ist eine stabilere und rauschärmere Ausgangsspannung.

Auf jeden Fall sollte auch beachtet werden:
1. keine Leitung und auch keine Massefläche unter der Spule. Denn sonst koppelt das Magnetfeld der Spule in die Leiterbahn oder die Masse ein und induziert dort Störströme.

2. die Einspeisung der Spannung erfolgt direkt am Eingangskondensator (wie im Schaltplan eingezeichnet). Wird die Spannung z.B. am Schaltregler eingespeist, dann ist eine erhöhte Störstrahlung zu erwarten, denn der Schaltreglerpin wird ja (das liegt in der Natur der Sache) hochfrequenz ein- und ausgeschaltet.

3. die Auskopplung der geregelten Spannung erfolgt (wie auch der Anschluss des Feedback-Widerstandes R132) direkt am Ausgangskondesator. Das ist leider aus dem Schaltplan nicht so klar ersichtlich. Im beiden Layouts ist es aber korrekt ausgeführt.

Lothar Miller - Layout Schaltregler

EMV-Optimiertes Schaltreglerlayout