SMPS-PCB-Schaltungsdesign: Welche Schaltfrequenz soll verwendet werden?

Zachariah Peterson
|  Created: December 1, 2019  |  Updated: September 25, 2020

SMPS circuit for a network switch

 

CStromversorgung auf einem Netzwerk-Switch

Designer von Leistungselektronik und Schaltnetzteilen (SMPS) sollten wissen, dass höhere Schaltfrequenzen zu höheren Schaltverlusten in Ihrem System führen können. Der Drang zur Miniaturisierung von Stromversorgungen und den darin enthaltenen Bauteilen zwingt Designer jedoch dazu, in ihren SMPS-PCB-Schaltungsentwürfen mit höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten. Dies kann zu schwerwiegenden Schaltverlusten und Rauschen in Ihrem System führen.

Wie bei den meisten technischen Entscheidungen müssen bei der Wahl der richtigen Schaltfrequenz eine Reihe von Kompromissen eingegangen werden, insbesondere bei der Reduzierung der Bauteilgröße, der Verringerung von Verlusten und der Beseitigung von Rauschen; es ist schwierig bzw. unmöglich, diese drei Ziele gleichzeitig zu erreichen. Mit einigen intelligenten PCB-Layout-Entscheidungen können Sie jedoch höhere Frequenzen und Flankenraten in Ihrer SMPS-Schaltung erreichen und gleichzeitig das Rauschen auf ein Minimum reduzieren. 

Optimierung von Frequenz, Verlust und Rauschen in einer SMPS-PCB-Schaltung

Damit ein Schaltnetzteil mit kleineren Bauteilen arbeiten kann, muss das schaltende PWM-Signal mit einer höheren Frequenz laufen. Der Ausgangsinduktor, der Kondensator und die Diode sind so ausgelegt, dass sie Gleichstrom durch den Ausgang leiten und gleichzeitig das Schaltgeräusch, die Restwelligkeit der Eingangsspannung (z.B. von einer Gleichrichterschaltung) und eventuell am Eingang vorhandene Störoberschwingungen filtern. Mit anderen Worten, der Ausgang verhält sich innerhalb einer bestimmten Bandbreite wie ein Tiefpassfilter (eigentlich ist dies ein RLC-Bandpassfilter). Wir können für diesen Filter eine Roll-Off-Frequenz definieren (nicht zu verwechseln mit der Kniefrequenz eines digitalen Schaltsignals).

Um die Ausbreitung von PWM-Schaltgeräuschen durch den Ausgang zu verhindern, muss die PWM-Schaltfrequenz größer als die Kniefrequenz der Schaltung sein. Unabhängig davon, ob Sie in Ihrer SMPS-PCB-Schaltung mit einer Buck- oder Boost-Topologie arbeiten, ist die Roll-Off-Frequenz des Ausgangs umgekehrt proportional zur Ausgangskapazität und -induktivität. Anders ausgedrückt: Sie können kleinere Bauteile in Ihrem SMPS-Schaltkreis verwenden, wenn Ihre PWM-Schaltfrequenz ausreichend hoch ist.

Buck-boost converter

Buck-Boost-SMPS-Schaltplan

Es wird allgemein angenommen, dass die Schaltfrequenz des PWM-Signals in Ihrem SMPS-Schaltkreis die primäre Determinante der Verluste ist, die dann in Wärme umgewandelt werden. Dieses Problem bei der Verwendung einer höheren Frequenz ist richtig, jedoch ist die Frequenz nicht der einzige Parameter, der die Verluste im MOSFET bestimmt. Tatsächlich spielt bei Leistungs-MOSFETs, die in SMPS-Schaltungen verwendet werden, die Flankenrate eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Wärmeverluste.

Kein Schaltungselement ist ideal, aber wir neigen fälschlicherweise dazu, sie als solches zu behandeln. Dasselbe gilt für den oben gezeigten MOSFET. Wenn das PWM-Signal auf 0 V abfällt, kann es sein, dass der MOSFET nicht vollständig abschaltet und bei einer zu langsamen Flankenrate stetig weiterleitet. Wenn Sie die Flankenrate des PWM-Signals erhöhen, kann der MOSFET vollständig durchgeschaltet werden, so dass er im AUS-Zustand weniger leitend ist. Dadurch wird der Leistungsverlust also verringert, auch wenn die Schaltfrequenz auf einen höheren Wert eingestellt ist.

Die Kombination einer höheren PWM-Frequenz und einer schnelleren PWM-Flankenrate ermöglicht den Einsatz kleinerer Bauteile in der SMPS-PCB-Schaltung. Da die Leistungsverluste (d.h. die Wärmeableitung) geringer sind, kann ein kleinerer Kühlkörper verwendet werden. Das PWM-Signal mit der höheren Frequenz strahlt jedoch stark ab, und die schnellere Flankenrate führt zu einem transienten Verhalten in der Schaltung. Dieses Verhalten hängt mit der parasitären Kapazität und Induktivität auf der Ebene des MOSFET-Gehäuses sowie des Leiterplatten-Layouts zusammen. Sie müssen sicherstellen, dass Ihre SMPS-Schaltung so ausgelegt ist, dass die parasitäre Induktivität minimiert wird.

Reduzieren Sie SMPS-Rauschspitzen mit intelligenten Layout-Entscheidungen

Die parasitäre Induktivität in Ihrem SMPS-Schaltkreis (der das nachgeschaltete PDN einschließt) bestimmt die Größe der Spannungsspitze im SMPS-Schaltkreis. Die parasitäre Kapazität trägt ebenfalls zu den Spannungs-/Stromspitzen im SMPS-Schaltkreis bei, aber diese dominiert erst, wenn Sie auf kV-Niveau arbeiten. Diese spezielle Spannungsspitze, die auf die parasitäre Induktivität zurückzuführen ist, belegt die Schaltkreisschleifen in Ihrem SMPS-Layout, wodurch Bauteile bis zum Ausfall belastet werden können.

Wenn Sie eine schnellere Flankenrate verwenden, induzieren Sie einen größeren transienten Strom in Ihrer SMPS-Schaltung. Selbst eine relativ kurze Leiterbahn (einige mm) auf FR4 mit Standarddicke hat eine parasitäre Induktivität von ~10 nH. Eine schnell ansteigende Flanke im PWM-Signal mit einem Einschaltstrom von einigen Ampere kann eine Spitze von mehreren Volt induzieren. Dies belastet mit der Zeit die Bauteile und führt zum Versagen des Schaltnetzteils.

Inductor and capacitor in SMPS circuit

Mit einer höheren Schaltfrequenz und schnelleren PWM-Flankenraten können Sie kleinere Bauteile als diesen Induktor und diese Kondensatoren verwenden.

Es kann schwierig sein, diese Herausforderung zu meistern, da sie hierfür die Störfaktoren im SMPS-Kreislauf entfernen müssen. Die typische Strategie beim Design dieser Schaltungen besteht darin, Simulationen von Ihrem Schaltplan aus durchzuführen, um die Funktionalität zu verifizieren, und Tests durchzuführen, sobald Sie einen Prototyp haben. Mit den hier beschriebenen Richtlinien können Sie hoffentlich die Anzahl der notwendigen Prototypenrunden reduzieren und schnell zu einem funktionierenden Gerät gelangen.

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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