Leiterplatten-Layoutrichtlinien für Schaltnetzteile

Zachariah Peterson
|  Erstellt: August 6, 2021  |  Aktualisiert am: July 18, 2022
Leiterplattenlayout für Hochstrom-Schaltnetzteile

Stromversorgungsdesigner verstehen die komplexen technischen Details und funktionalen Anforderungen, die mit dem Leiterplattenlayout von Schaltnetzteilen verbunden sind. Das Layout bestimmt die Anfälligkeit für elektromagnetische Interferenz (EMI), das thermisches Verhalten, die Power-Integrität sowie die Sicherheit. Ein gutes Layout gewährleistet eine hocheffiziente Stromumwandlung und -abgabe an eine Last und ermöglicht gleichzeitig den Wärmetransport weg von den heißen Komponenten im Layout. Zudem wird eine geringe Rauschkopplung um ein elektronisches System herum sichergestellt. Sicherheit ist ebenfalls ein wichtiger Faktor bei Schaltnetzteilen, durch die ggf. hohe Ströme an einen Ausgang geleitet werden können, was ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Schlechte Layout-Entscheidungen führen zu Problemen, die bei hohen Stromstärken auftreten und offensichtlich werden, wenn große Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangsspannungen bestehen. Zu den häufigen Problemen aufgrund schlechter Layouts gehören Regelungsverluste bei hohen Ausgangsströmen, übermäßiges Rauschen am Ausgang und in den Schaltwellenformen sowie Instabilitäten bei der Schaltung. Mit einer Kombination aus Simulationswerkzeugen für die Gleichstrom-Power-Integrität und Features für die Schaltungssimulation und Analyse sowie den besten Layout- und Routing-Dienstprogrammen können Entwickler sicherstellen, dass ihre Geräte sicher und zuverlässig sind. Altium Designer bietet eine Leiterplatten-Layoutsoftware für Netzteile und viele weitere Tools, mit denen sich solche Probleme vermeiden lassen.

Altium Designer

Leiterplatten-Designsoftware, die Sie bei der Einhaltung von Richtlinien für das Leiterplattenlayout von Schaltnetzteilen unterstützt.

Beim Design von Netzteilen müssen eine Reihe von Herausforderungen bewältigt werden. Um ihren korrekten Betrieb zu gewährleisten sind umfassende Design- und Analysefunktionen erforderlich. Diese Designs bergen auch Sicherheitsrisiken, die die Benutzer in Gefahr bringen können – sowohl durch Hochspannung als auch durch eine plötzliche Entladung von Elektrizität an den Benutzer. Wie können Designer sichere, präzise und zuverlässige Netzteile entwickeln?

Schaltnetzteile gelten als Standard für die Umwandlung von gleichgerichtetem Wechselstrom mit hoher Stromstärke in Hochspannungsstrom, mithilfe eines Schaltnetzteils in einem Blindstromkreis. Diese Komponenten sind nichtlinear und verwenden oft die Rückkopplung, um die Regelung aufrechtzuerhalten – im Gegensatz zum typischen LDO-Regler. In einem LDO wird die Regelung durch die Sättigung eines Fehlerverstärkers gewährleistet, was zu Widerstandsverlusten führt, die sich in Form von Wärme im Leiterplattenlayout bemerkbar machen.

Obwohl Schaltregler aus Sicht der Regelung und der Effizienz vorzuziehen sind, lassen sie sich mitunter schwer im Layout einfügen, da sie mehr Komponenten umfassen. Manche davon weise größere Störeffekte auf und können bei inkorrekter Anordnung anfällig für Rauschprobleme sein. Beachten Sie diese Richtlinien für das Layout von Schaltnetzteilen, um eine hohe Zuverlässigkeit für Ihr Design sicherzustellen.

Erstellen Sie das Leiterplattenlayout für Ihr Schaltnetzteil

Es gibt einige grundlegende Regeln für das Leiterplattenlayout von Schaltnetzteilen, mit denen Sie sicherstellen können, dass Ihr System ein möglichst geringes Rauschen und geringe abgestrahlte EMI aufweist und eine niedrige Temperatur beibehält. Im Großen und Ganzen lassen sich diese Richtlinien wie folgt zusammenfassen:

  • Versuchen Sie, EMI niedrig zu halten, indem Sie die Masse korrekt definieren, kurze Leiterbahnen im Leiterplattenlayout platzieren und galvanisch isolierte Teilbereiche in der Leiterplatte so anordnen, dass keine Rauschkopplung auftritt.
  • Verwenden Sie bei Bedarf geeignete Eingangs- und Ausgangs-EMI-Filterschaltungen, falls Rauschen im Layout auftritt, falls Funktionen wie Hüllkurven-Tracking benötigt werden oder falls bestimmte Rauschquellen Probleme im Design verursachen.
  • Verwenden Sie viel Kupfer, um die Wärmeableitung von wichtigen Komponenten zu gewährleisten. Bei Bedarf können Sie ein spezielles Gehäusedesign sowie Kühlkörper oder Lüfter für heiße Komponenten in Betracht ziehen.
  • Platzieren Sie schnell schaltende Hochstromschaltungen (beispielsweise MOSFET-Arrays) so, dass bei Schaltvorgängen keine Störschwingungen im Design auftreten.

Aufsichtsbehörden wie Underwriter Laboratories und das IEC prüfen Netzteile auf abgestrahlte elektromagnetische Interferenz (EMI), leitungsgeführte EMI, Stabilität, Effizienz und Betriebsdauer. Die FCC- und CE-Vorschriften legen außerdem die Emissionsgrenzen von Schaltnetzteilen fest, da diese Geräte unbeabsichtigt abstrahlen können. Altium Designer bietet Ihnen die erforderlichen Schaltungsanalysetools, mit denen Sie mehr über die elektrischen Eigenschaften Ihres Geräts erfahren können. Mit den Leiterplattenlayout-Tools können Sie ein Layout erstellen, das die oben genannten Anforderungen erfüllt und gleichzeitig Ihre simulierten elektrischen Spezifikationen berücksichtigt.

Vorsicht bei der Definition der Masse

Die erste zu berücksichtigende Richtlinie für das Leiterplattenlayout von Schaltnetzteilen ist die Definition der Masse im Layout. Denken Sie beim Design Ihrer Schaltnetzteilschaltung daran, dass es fünf Massepunkte gibt, die auf verschiedene Leiter aufgeteilt werden können, um eine galvanische Isolierung zu gewährleisten. Diese sind:

  • Eingang, Hochstromquelle, Masse
  • Eingang, Hochstromschleife, Masse
  • Ausgang, Hochstromgleichrichter, Masse
  • Ausgang, Hochstromlast, Masse
  • Kontrollmasse auf niedriger Ebene

Jede dieser Masseverbindungen kann aus physisch getrennten Leitern bestehen, je nachdem, ob eine galvanische Isolierung im Wandler-, Gleichrichter- oder Reglerkreis erforderlich ist. Ihr Netzteilschaltkreis kann ein Gleichtaktrauschen zulassen, wenn die Massen kapazitiv gekoppelt sind, z. B. durch ein nahegelegenes leitfähiges Gehäuse. Die Masseregionen auf einer Leiterplatte sollten auf jeder Seite der isolierenden Komponenten klar definiert sein, beispielsweise:

Wenn aus irgendeinem Grund Massen überbrückt werden müssen, um einen bestimmten Gleichstromversatz zu eliminieren, ist ein Y-Kondensator die beste Option – er bietet Hochfrequenzfilterung und eliminiert den Gleichstromversatz zwischen den Masseregionen.

Grafische Darstellung eines Layouts mit Y-Kondensator
Ein Y-Kondensator kann in einigen Schaltwandleranwendungen zur Überbrückung der Masse verwendet werden.

Jede Hochstrommasse dient jeweils als Teil der Stromschleifen, sollte aber so ausgelegt sein, dass sie einen niederohmigen Rückweg für Ströme bietet. Dadurch sind eventuell mehrere Vias auf der Massefläche erforderlich, um hohen Strom mit geringem äquivalentem Widerstand zurückzuleiten. Diese Punkte und ihr Potenzial in Bezug auf eine Systemmasse, werden zum Ausgangspunkt für die Messung der Gleich- und Wechselstromsignale, die zwischen den verschiedenen Punkten des Stromkreises geleitet werden. Um zu verhindern, dass Rauschen aus den Hochstrom-Gleichstrommassen austritt, dient der Minuspol des entsprechenden Filterkondensators als Verbindungspunkt für die Hochstrom-Massen.

Die beste Methode zur Definition von Masseregionen ist die Verwendung von großen Ebenen oder Kupferflächen. Diese Bereiche bieten niederohmige Pfade zur Ableitung von Rauschen vom Gleichstromausgang und können hohe Rückströme bewältigen. Sie bieten bei Bedarf ebenso einen Wärmetransportpfad weg von den wichtigen Komponenten. Eine Massefläche auf beiden Seiten absorbiert abgestrahlte EMI, reduziert das Rauschen und verringert Fehler in der Masseschleife. Masseflächen dienen nicht nur als elektrostatische Abschirmung und leiten abgestrahlte EMI in Form von Wirbelströmen ab, sondern trennen auch die Versorgungsleiterbahnen und Komponenten der Versorgungsfläche von den Komponenten der Signalfläche. Mit den CAD-Tools von Altium Designer können Sie ganz einfach Massen in Ihrem Leiterplattenlayout definieren und große Leitungen platzieren, die als Masseregionen auf Ihrer Leiterplatte verwendet werden können. Insbesondere bei der Arbeit mit Schaltnetzteilen können Sie auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Massefläche verwenden und diese mit Vias überbrücken, um ein einheitliches Potential Ihrer Masseflächen zu gewährleisten.

Schematische Darstellung eines PCB-Layouts
Versorgungs- und Masseflächen bieten Verbindungen mit geringem Widerstand und gleichzeitig einen Pfad zur Wärmeableitung von wichtigen Teilen des Systems.

Der Schaltplan-Editor unterstützt das Layout

Die Masse ist ein wichtiger Startpunkt für das Design, da sie die Störfestigkeit und die Routingfähigkeit des Leiterplattenlayouts bestimmt. Dies ist jedoch nicht die einzige Überlegung beim Design von Netzteilen. Schaltverhalten und EMI-Unterdrückung sind in Netzteilen eingebaut und müssen auf der Leiterplatte klar definiert sein.

Platzierung von Masseverbindungen

Wie präzise ein Schaltnetzteil die Ausgangsspannung regeln kann, hängt von der Verbindung der Kontrollmasse auf niedriger Ebene ab. Wenn Sie mit integrierten Schaltkreisen, Eingangskondensatoren, Ausgangskondensatoren und Ausgangsdioden arbeiten, müssen Sie sicherstellen, dass die Komponenten mit einer Massefläche verbunden sind. Die Masseverbindung ist mit einem Punkt verbunden, an dem der Steuer-IC und die zugehörigen Schaltungen den Wechsel- und Gleichstrom, die Ausgangsspannung und andere wichtige Parameter messen. Wenn Sie die Masse auf niedriger Ebene an die untere Seite des Strommesswiderstands oder an den Ausgangsspannungsteiler anschließen, verhindern Sie, dass die Steuerungsschaltung das Gleichtaktrauschen erfasst.

Design des Schaltverhaltens

Ein Schaltnetzteil funktioniert, indem es die Durchlasseinheiten schnell zwischen dem Grenzwertbetriebszustand und dem Sättigungsbetriebszustand umschaltet und konstante Leistung an eine Ausgangslast liefert. Beim Grenzwert liegt an der Durchlasseinheit eine hohe Spannung an, aber es fließt kein Strom. Bei Sättigung fließt ein hoher Strom durch die Durchlasseinheit, mit einem sehr geringen Spannungsabfall. Da der Halbleiterschalter aus der Gleichstrom-Eingangsspannung eine Wechselspannung erzeugt, kann das Schaltnetzteil die Spannung mit Hilfe von Transformatoren entweder erhöhen oder erniedrigen, und die Spannung dann am Ausgang wieder zu Gleichstrom filtern.

Pulsweitenmodulierte Schaltnetzteile (PWM-Schaltnetzteile) werden entweder im Vorwärts- oder im Verstärkungsmodus betrieben. Im Vorwärtsmodus betriebene Netzteile verfügen über einen L-C-Filter am Ausgang, der aus dem Volt-Zeit-Mittelwert des vom Filter erhaltenen Ausgangs eine Ausgangsgleichspannung erzeugt. Um den Volt-Zeit-Mittelwert des Signals zu steuern, ändert die Schaltnetzteilsteuerung das Tastverhältnis der Eingangsrechteckspannung.

Abwärts- vs. Aufwärtswandler

Bei Aufwärtswandlern wird eine Induktivität direkt an die Eingangsspannung angeschlossen, wenn das Schaltnetzteil eingeschaltet wird. Der Induktivitätsstrom steigt von Null an und erreicht seinen Höchstwert gleichzeitig mit der Abschaltung des Netzteils. Ein Ausgangsgleichrichter begrenzt die Ausgangsspannung der Induktivität und verhindert, dass die Spannung die Versorgungsausgangsspannung übersteigt. Wenn die im Kern der Induktivität gespeicherte Energie an den Ausgangskondensator abgegeben wird, fällt die geschaltete Verbindung der Induktivität wieder auf das Niveau der Eingangsspannung ab.

Bei Abwärtswandlernetzteilen werden dieselben Komponenten verwendet, allerdings mit einer anderen Topologie. So wird die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) der Induktivität auf einem niedrigeren Niveau als die Eingangsspannung gehalten. Das Schaltverhalten bietet denselben Effekt wie bei einem Aufwärtswandler, bei dem der Ausgangsstrom in Konkurrenz mit einem Lade-/Entladekondensator schwingt und somit die Ausgangsleistung kontrolliert wird. Beide Regler-/Wandlertopologien ermöglichen die Weiterleitung von Schaltrauschen an die Ausgabeanschlüsse im Design. Diese lassen sich als Hochfrequenzripple auf dem Ausgangssignal beobachten.

Schematische Darstellung eines Spannungswandlerreglers
Abwärts- und Auwärtswandler-Layouts können hohe Ströme führen, für die große Polygone erforderlich sind, um die Wärme aufzunehmen und Leistungsverluste zu vermeiden. 

Netzteilrouting sorgt für einen rauscharmen Betrieb

Schaltnetzteile leiten hochfrequentes Rauschen, bis die Rauschfrequenz etwa das 100-fache der Schaltfrequenz erreicht. Dann fällt die Rauschfrequenz mit einer Rate von -20 bis -40 dB pro Dekade ab. Da Schaltregler mit „Ein“- und „Aus“-Zuständen arbeiten, fließen im Schaltnetzteil starke Stromimpulse mit scharfen Flanken und verursachen dadurch EMI. Der Übergang zwischen dem EIN- und AUS-Zustand des Stroms erzeugt EMI, die an anderer Stelle im System induziert werden kann, falls die Stromschleifen im Netzteillayout zu groß sind. Die Schaltkreise von Schaltnetzteilen bestehen aus einer Leistungsschalterschleife und Ausgangsgleichrichterschleifen. Diese müssen ordnungsgemäß geroutet werden, um übermäßiges Rauschen zu verhindern.

Achten Sie beim Layout des Netzteils besonders auf den Umfang der Schleifen sowie die Länge und Breite der Leiterbahnen. Ein kleiner Schleifenumfang verhindert, dass die Schleife als niederfrequente Rauschantenne wirkt. Unter dem Gesichtspunkt der Schaltungseffizienz bieten breitere Leiterbahnen auch eine zusätzliche Wärmeableitung für Leistungsschalter und Gleichrichter. Sie können die „Active Route“-Routing-Engine verwenden, um ein wie vom Menschen gemachtes Routing zu erzielen. Außerdem können Sie Ihre Komponenten so anordnen, dass die Schaltstromschleifen in dieselbe Richtung leiten können. Da die Stromschleifen in die gleiche Richtung leiten, koppelt die Steuerschaltung an bestimmte Stellen im Layout. So wird verhindert, dass sich das Magnetfeld entlang der Leiterbahnen zwischen den beiden Halbkreisen umkehrt und EMI abstrahlt.

Schematische Darstellung eines Leiterplattenlayouts
Die Komponenten in diesem Leiterplattenlayout liegen dicht beieinander und sind mit kurzen, direkten Leiterbahnen geroutet.

Leiterplattenlayout-Tipps für Wechselspannungsknoten von Schaltnetzteilen

Je nach Schaltnetzteilkonfiguration befinden sich die Wechselspannungsknoten am Drain des Leistungs-MOSFETs oder am Kollektor des BJTs sowie an den Anoden der Ausgangsgleichrichter. Jeder dieser Knoten kann hohe Wechselspannungen aufweisen. Zum Beispiel kann die Spitze-zu-Spitze-Wechselspannung am MOSFET-Drain ein- bis zweimal so hoch sein wie die Eingangsspannung. Da der Drain über einen Isolator mit einem Kühlkörper verschraubt ist, bietet der geerdete Kühlkörper einen Pfad für kapazitiv gekoppeltes Rauschen. Mit den Leiterplattenlayout-Tools in Altium Designer können Sie anfällige Signale auf derselben Seite platzieren, statt unter einem rauschenden Wechselstromknoten. Außerdem können Sie alle unter dem Knoten befindlichen Masseflächen schraffieren, um das Rauschen zu eliminieren.

Oberflächenmontierte Umgebungen weisen geringere Kapazitätswerte auf, können jedoch Rauschen in empfindliche Signale einkoppeln. Aufgrund dieser Faktoren muss Ihr Layout auch die Möglichkeit einer kapazitiven Kopplung der AC-Knotenspannungen in Kühlkörper oder benachbarte Masseflächen berücksichtigen. Beim Entwurf einer oberflächenmontierten Leiterplatte müssen die Knotenpunkte groß genug ausgelegt sein, um als Kühlkörper für den Leistungsschalter oder den Gleichrichter zu fungieren. Einige mehrlagige Designs erhöhen die thermische Masse des Designs, indem alle Lagen unterhalb des Wechselstromknotens identisch mit dem Wechselstromknoten ausgelegt werden und die Lagen mit durchkontaktierten Löchern verbunden werden.

Altium Designer bietet Ihnen ein vollständiges Design- und Layout-Toolset

Die umfangreichen Leiterplattendesign- und Layout-Funktionen in Altium Designer bieten Ihnen die Tools, die Sie brauchen, um zuverlässige und sichere Leistungssysteme zu erstellen. Ebenso können Sie wichtige Netzteilschaltungstopologien und EMI-Filter erstellen und simulieren, die in jeder Anwendung eingesetzt werden können – von Gleichstromsystemen mit hoher Leistung bis hin zu Wechselstromsystemen mit hoher Frequenz. Das PDN-Analyzer-Plugin für Altium Designer bietet die besten Ressourcen für die Gleichstrom- und -spannungsanalyse der Schaltung. Das Design eines Leiterplattenlayouts für ein Schaltnetzteil wirkt auf den ersten Blick wie eine Herkulesaufgabe. Altium Designer bietet Ihnen jedoch die Tools, mit denen sich die Komplexität von Netzteilen in leicht verständliche Aufgaben aufteilen lässt.

Ansicht eines Layouts in Altium Designer
Erstellen Sie Ihr Leiterplattenlayout mit den besten CAD-Werkzeugen für jede Anwendung in Altium Designer.

Das Ziel von Altium bestand schon immer darin, seinen Benutzern ein optimiertes Designerlebnis in einer einheitlichen Designoberfläche zu bieten. Mit dem Schaltplaneditor, dem Leiterplatteneditor, dem SPICE-Simulationspaket, den Routing-Funktionen und den Simulations-Tools in Altium Designer haben Sie alles, was Sie brauchen, um sichere, zuverlässige und rauschfreie Netzteile zu entwickeln. Wenn Sie ein komplettes Toolset zur Erstellung und Verwaltung von Komponenten benötigen, nutzen Sie die branchenweit besten ECAD-Dienstprogramme zur Erstellung und Simulation Ihrer Designs.

Altium Designer auf Altium 365 bietet einen noch nie dagewesenen Umfang an Integration in der Elektronikindustrie, was bis dahin der Softwareentwicklungsbranche vorbehalten war. Designer können jetzt von zu Hause aus arbeiten und ein beispielloses Maß an Effizienz erreichen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

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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