Schalt- vs. Linearnetzteile: Ein Leitfaden für das Layout von PCB-Netzteilen

Mark Harris
|  Erstellt: November 10, 2021  |  Aktualisiert am: Mai 5, 2024
Schalt- vs. Linearnetzteile: Ein Leitfaden für das Layout von PCB-Netzteilen

Es ist ungewöhnlich, eine Leiterplatte zu entwerfen, die kein Spannungsversorgungselement enthält. Nur weil es ein gängiges Element ist, bedeutet das jedoch nicht, dass es keine Herausforderungen für das PCB-Design mit sich bringt. Hier sind zwei Hauptvarianten zu berücksichtigen: Linear- und Schaltnetzteile. Jede dieser Varianten stellt besondere Anforderungen an das Layout der Stromversorgungsplatine.

Linearnetzteile vs. Schaltnetzteile: Was ist der Unterschied?

Linearnetzteile

Linearnetzteil-Schaltungen sind einfacher Natur. Sie bestehen aus wenigen Komponenten, die sich leicht auf einer Leiterplatte montieren lassen. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Schaltkreise ineffizient sind. Das kann dazu führen, dass erhebliche Leistungsverluste in Form von abgestrahlter und geleiteter Wärmeenergie bewältigt werden müssen. Dieses Problem wird vor allem dann zur Herausforderung, wenn temperaturempfindliche Komponenten auf der Leiterplatte montiert oder zum Schutz in einem versiegelten Gehäuse eingeschlossen sind, denn dies kann die Kühlungsmöglichkeiten einschränken.

Schaltnetzteile

Schaltnetzteil-Schaltungen für Leiterplatten sind komplexer als lineare PCB-Netzteile; sie sind jedoch auch deutlich effizienter. Das ist großartig, da es die Entwicklungszeit des PCB-Designers für das Wärmemanagement verkürzt.

Leider bringt es aber auch andere Probleme mit sich. So kann beispielsweise der Schaltkreis erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen, die der PCB-Designer wiederum entsprechend handhaben muss. Dieses elektrische Rauschen kann sich auf andere Schaltungselemente auf der Leiterplatte auswirken; es kann sogar über die Leiterplatte hinaus ausgestrahlt werden, sodass auch in der Nähe gelegene Geräte betroffen sein können. In extremen Fällen kann das vom PCB-Netzteilschaltkreis erzeugte Rauschen sogar durch das Stromnetz zurückgeleitet werden und andere Geräte beeinflussen, die am selben Stromnetz angeschlossen sind.

Ein weiteres potenzielles Rauschproblem besteht darin, dass Schaltnetzteil-Schaltkreise dazu neigen, am Ausgang eine Brummspannung zu erzeugen. Diese Spannung kann bei unsachgemäßer Handhabung zu Störungen auf der Leiterplatte durch kapazitive oder induktive Kopplung zwischen parallel verlaufenden Leiterbahnen oder gebündelten Drähten führen. Ein letztes und subtileres Problem ist das Potenzial für einen Ground Bounce auf der Leiterplatte, auf der der Schaltkreis montiert ist. Schnelles Schalten kann zu einer vorübergehenden Änderung des Massepotenzials an der Stelle auf der Leiterplatte führen, an der die Schaltkomponenten mit der Massefläche verbunden sind. Dies wiederum führt zu einer vorübergehenden Potenzialdifferenz auf der Massefläche der Leiterplatte. Im Extremfall kann diese Differenz dazu führen, dass Komponenten in einem weit entfernten Teil der Leiterplatte ein wahrgenommenes Signal — das aus dieser falschen Potenzialdifferenz resultiert — beobachten und darauf reagieren.

Richtlinien für das Layout von PCB-Netzteilen

Erdung

Wenn der Platz nicht zu knapp ist, sollten Sie eine solide Massefläche für das Netzteil einplanen, um die elektromagnetische Abschirmung zu gewährleisten. Wenn es nicht möglich ist, dem eine ganze Lage zu widmen, sollten Sie als Minimum ein Massepolygon in Betracht ziehen, das den gesamten Bereich unter den PCB-Netzteilkomponenten abdeckt.

Die Massefläche für das PCB-Netzteil sollte von der gemeinsamen Masse für den Rest der Schaltung getrennt sein, um Rauschkopplungseffekte zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Verbindung zwischen diesen beiden Massen auf einen einzigen Punkt auf der Leiterplatte beschränkt werden, um Masseschleifen zu verhindern.

Leitfähigkeit von Leiterbahnen

Halten Sie Leiterbahnen für PCB-Netzteil-Schaltkreise so kurz und so breit wie möglich, um Ohm'sche Verluste und elektromagnetische Rauschemissionen zu reduzieren. Wo es der Platz erlaubt, ist es ratsam, Polygonflächen zu verwenden. Das ist besonders relevant für Linearnetzteile, bei denen die Wärmeleitfähigkeit entscheidend ist.

Um einen maximalen Effekt zu erzielen, ist es ideal, wenn Sie voll gefüllte interne Lagen mit Vias für die Verbindung von Strom- und Masseflächen in das Platinendesign integrieren. Die Verwendung von Vias, um Leiterbahnen für PCB-Netzteile von einer Lage zur anderen zu führen, sollte vermieden werden, da die Via als Punkt mit erhöhter Impedanz fungiert. Mehrere Vias, die Polygone miteinander verknüpfen, stellen hier eine bessere Lösung dar.

Die Leistung wird durch die Dicke der Kupferschichten beeinflusst, wobei eine zunehmende Dicke mit einem Preisaufschlag verbunden ist, sodass ein Kompromiss zwischen Kosten und Leistung erforderlich sein kann.

Eine weitere Möglichkeit, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, ist das Hinzufügen einer Lötschicht auf den äußeren Lagen der Leiterplatte durch Änderungen an der Lötmaske. Sie können jedoch auch eine bessere Leistung erzielen, indem Sie PCB-Sammelschienen oder externe Drähte zwischen den Punkten auf der Leiterplatte anbringen, an denen Designkomponenten des PCB-Netzteils montiert sind.

Platzierung von Komponenten

Da es gilt, Leiterbahnen so kurz wie möglich zu halten, sollten die Komponenten des PCB-Netzteils so nah wie möglich beieinander liegen und optimal ausgerichtet sein. Dazu kann die Montage von Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte gehören.

Leiterbahn-Routing

Leiterbahnen, die empfindliche Signale führen, sollten idealerweise auf einer unverbundenen Leiterplattenlage verlegt werden, die durch eine Massefläche von den Leiterbahnen des 12V-PCB-Netzteil-Layouts getrennt ist. Signalleiterbahnen sollten niemals parallel zu stromführenden Leiterbahnen verlaufen, um eine Rauschkopplung zwischen dem Layout-Netzteil und dem Signal zu verhindern. Wenn eine räumliche Nähe unvermeidbar ist, sollten die Signalleiterbahnen die Netzteil-Leiterbahnen in einem Winkel von 90 Grad kreuzen, um Rauschkopplungseffekte zu minimieren.

Wärmemanagement

Alle Netzteil-Schaltkreise im Layout erzeugen Wärme, daher muss das Platinendesign ein Wärmemanagement beinhalten. Aus diesem Grund sollte die erste Überlegung beim Layout die Platzierung der Komponenten sein, um wärmeerzeugende Komponenten möglichst von wärmeempfindlichen Komponenten zu trennen und gleichzeitig kurze Leiterbahnlängen beizubehalten.

Die nächste Überlegung ist die Nutzung des Kupfers der Leiterplatte, um die Wärme gleichmäßiger zu verteilen; und zwar weg von Hotspots, hin zu Bereichen, die eine Wärmeableitung ermöglichen.

Ein potenzielles Problem bei PCB-Schaltnetzteilen ist, dass der Regelkreis oft temperaturempfindliche Komponenten enthält, die zusammen mit den wärmeerzeugenden Schaltkomponenten untergebracht werden müssen. Wenn Hotspots nicht berücksichtigt werden, können sie zu einer Instabilität der Stromversorgung im Layout führen und thermische Probleme verschlimmern.

Zusammenfassung

Netzteile können die Ursache für die meisten Wärme- und Rauschprobleme auf einer Leiterplatte sein, daher muss dies beim Platinendesign von Anfang an berücksichtigt werden. Ein gutes Platinendesign beginnt also mit einem guten PCB-Netzteil-Layout.

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Über den Autor / über die Autorin

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Mark Harris ist Ingenieur mit mehr als 12 Jahren vielfältiger Erfahrung in der Elektronikindustrie, die von Aufträgen für die Luft- und Raumfahrt und Verteidigung bis hin zu kleinen Produktanläufen, Hobbys und allem dazwischen reicht. Bevor er nach Großbritannien zog, war Mark Harris bei einer der größten Forschungsorganisationen Kanadas angestellt; jeder Tag brachte ein anderes Projekt oder eine andere Herausforderung mit sich, bei der es um Elektronik, Mechanik und Software ging. Er veröffentlicht außerdem die umfangreichste Open-Source-Datenbank-Bibliothek von Komponenten für Altium Designer, die so genannte Celestial Database Library. Mark hat eine Affinität zu Open-Source-Hardware und -Software und den innovativen Problemlösungen, die für die täglichen Herausforderungen dieser Projekte, erforderlich sind. Elektronik ist Leidenschaft; zu beobachten, wie ein Produkt von einer Idee zur Realität wird und mit der Welt interagiert, ist eine nie endende Quelle der Freude.

Sie können Mark direkt kontaktieren unter: mark@originalcircuit.com

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