Die Verwendung eines Übertragungsleitungsrechners erleichtert das PCB-Design

Zachariah Peterson

|  Erstellt: July 28, 2021

Rechner sind für PCB-Designs sehr hilfreich. Noch hilfreicher sind sie, wenn sie direkt in die Benutzeroberfläche Ihrer PCB-Design-Software integriert sind.

ALTIUM-DESIGNER

Design-Software-Tools, die Ihre Leiterplattenberechnungen ergänzen.

Designer von Stromversorgungen kennen die komplexen technischen Details und funktionalen Anforderungen, die mit dem Layout einer Schaltnetzteilplatine verbunden sind. Das Layout legt das funktionale und thermische Verhalten sowie die Anforderungen an die elektromagnetische Interferenz (EMI) des Netzteils fest. Ein gutes Layout optimiert den Wirkungsgrad der Stromversorgung und kann Ressourcen für mechanische Abschirmungen und EMI-Filter einsparen. Für den Stromversorgungsdesigner führt all dies zu einer reduzierten EMI-Testzeit und weniger Leiterplattenläufen.

Im Gegensatz dazu führt ein schlechtes Layout zu Problemen bei hohen Stromstärken, die bei großen Unterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsspannungen offensichtlich werden. Zu den häufigen Stromversorgungsproblemen aufgrund schlechter PCB-Layouts gehören: Regelungsverlust bei hohen Ausgangsströmen, übermäßiges Rauschen auf den Ausgangs- und Schalterwellenformen und Schaltungsinstabilität. Altium Designer bietet Richtlinien für das PCB-Layout von Stromversorgungen, die diese und andere Probleme entschärfen.

Diese Richtlinien erleichtern es Ihnen auch, Ihr Produkt auf den Markt zu bringen. Aufsichtsbehörden wie Underwriter Laboratories und die IEC testen Stromversorgungen auf abgestrahlte elektromagnetische Störungen (EMI), leitungsgebundene EMI, Stabilität, Effizienz und Lebensdauer. Altium Designer bietet Schaltungsanalysen und alle notwendigen Informationen, um ein Schaltnetzteil (SMPS) zu entwerfen, das diese und andere Tests besteht.

Verwendung des PCB-Editors für korrekte Leiterbahnbreiten und Übertragungsleitungen

Um die charakteristische Impedanz und Einheitslänge zu bestimmen und Ihre Übertragungsleitungen exakt zu gestalten benötigen Sie die richtigen Tools. Ein externer PCB-Übertragungsleitungsrechner kann Ihnen einige Schwierigkeiten ersparen; ein Design-Tool, das die Designregeln richtig anwendet und die Komponenten (z. B. Leiter) systematisch platziert, ist jedoch unerlässlich.

Die Breite der Leiterbahnen hat einen direkten Einfluss auf die Fähigkeit des Netzteils, Rauschen zu minimieren. Wenn hoher Strom durch die Schleife fließt und auf den Leiterbahnwiderstand trifft, entsteht ein Spannungsabfall, der HF-Rauschen verursacht. Daher wirkt sich die Breite der Leiterbahn auf die Höhe des Spannungsabfalls aus.

Die Verwendung breiterer Leiterbahnen mindert die Rauschausbreitung aufgrund der umgekehrt proportionalen Beziehung, die zwischen der Leiterbahnbreite und der Induktivität sowie der Leiterbahnbreite und dem Widerstand besteht. Rauschen und der damit verbundene Strom wandern über widerstandsarme Pfade (in Wechsel- und Gleichstromkreisen) und niederohmige Pfade (in Wechselstromkreisen) zurück zum Ort der Entstehung.

Die Beziehung zur Induktivität ist wichtig, weil die Induktivität den Frequenzgang der Schleife senkt. Bei niedrigen Frequenzen wird die Schleife zu einer effizienten Antenne. Da die Schleife nur niedrigere Frequenzen abstrahlt, entweicht mehr Rauschenergie in die Umgebung.

Zusätzlich zu einem minimalen Schleifenumfang und breiten Leiterbahnen können Sie auch parallele Kondensatoren und die physikalischen Eigenschaften Ihres PCB-Layouts verwenden, um den gesamten äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Filterkondensators zu verringern. Durch die Parallelschaltung von Kondensatoren kann der Filterkondensator einen höheren Ripplestrom aufnehmen, während die Erwärmung der Komponenten minimiert wird. Beim Layout müssen Sie darauf achten, dass die Komponenten in der Schleife und alle Kondensatoren ein identisches und symmetrisches Layout haben. Wenn Sie Ihr Layout auf diese Weise verfeinern, stellen Sie sicher, dass die parallelen Kondensatoren den Strom und die Erwärmung gleichmäßig verteilen.

Mit Altium Designer können Sie auch interaktiv Leiterbahnen und Komponenten verlegen, um einen Anstieg der EMI einzudämmen. Wenn Sie die EMI-arme Induktivität, die Ausgangskondensatoren und die Ausgangsdiode nahe beieinander platzieren, verringert sich die Leitungsinduktivität und der Widerstand. Die Nähe dieser Komponenten reduziert wiederum die Möglichkeiten für abgestrahlte EMI zusammen mit den Rauschspitzen, dem Klingeln und den Widerstandsverlusten, die Spannungsfehler verursachen.

VERWENDEN SIE ALTIUM DESIGNER FÜR DIE RICHTIGE MASSE

Denken Sie beim Entwurf Ihrer Schaltnetzteilschaltung daran, dass es fünf Massen gibt:

• Input Hochstromquelle
• Input Hochstromschleife
• Output Hochstrom-Gleichrichter
• Output Hochstromlast
• Low-Level-Kontrollmasse

Betrachten Sie die Massen immer separat. Ihr Stromversorgungsschaltkreis wird instabil, wenn die Massen falsch angeschlossen werden. Jede Hochstrom-Masse dient als ein Schenkel der Stromschleifen und stellt gleichzeitig den niedrigsten Rückpfad dar. Dieses Potenzial wird zum Messpunkt für die Gleich- und Wechselstromsignale, die zwischen verschiedenen Punkten der Schaltung fließen. Da verhindert werden muss, dass Rauschen von den Hochstrom-Massen nach außen dringt, dient der Minuspol des entsprechenden Filterkondensators als Anschlusspunkt für die Hochstrom-Massen.

Die Fähigkeit des SMPS-Controllers, die Ausgangsspannung präzise zu regeln, hängt von der Verbindung der Low-Level-Kontrollmasse ab. Der Masseanschluss ist mit einem Punkt verbunden, an dem der Steuer-IC und die zugehörige Schaltung den Wechselstrom, Gleichstrom, die Ausgangsspannung und andere wichtige Parameter messen. Durch den Anschluss der Low-Level-Masse an die untere Seite des Strommesswiderstands oder des Ausgangsspannungsteilers wird verhindert, dass der Steuerschaltkreis Gleichtaktstörungen wahrnimmt. Das PDN Analyzer-Plugin für Altium Designer bietet die besten Ressourcen für Ihre DC-Strom- und Spannungsanalyse der Schaltung.

Wenn Sie mit integrierten Schaltkreisen, Eingangskondensatoren, Ausgangskondensatoren und Ausgangsdioden arbeiten, sollten Sie sicherstellen, dass die Komponenten mit einer Massefläche verbunden sind. Verwenden Sie insbesondere bei der Arbeit mit Schaltnetzteilen eine Massefläche auf beiden Seiten der Leiterplatte und um die Hochstrombahnen herum. Die Masseflächen absorbieren abgestrahlte EMI, reduzieren Rauschen und verringern Fehler durch Masseschleifen. Masseflächen fungieren als elektrostatische Abschirmung und leiten abgestrahlte EMI innerhalb von Wirbelströmen ab. Zudem trennen sie die Stromleiterbahnen und Komponenten der Leistungsebene von den Komponenten der Signalebene.

• Erfahren Sie mehr über das Erstellen einer Masseebene in Altium Designer.

Bedingungen und Parameter für das Auslegen einer Masseebene

Der Schaltplan-Editor hilft beim EMI-Filter-Layout 

Ein SMPS arbeitet, indem es die Durchlasseinheiten schnell zwischen dem Abschaltbetriebszustand und dem Sättigungsbetriebszustand umschaltet und eine konstante Leistung an eine Ausgangslast liefert. Beim Abschalten ist die Spannung an der Durchgangseinheit hoch, aber es fließt kein Strom. In der Sättigung fließt ein hoher Strom mit einem sehr geringen Spannungsabfall durch die Durchlasseinheit. Da der Halbleiterschalter aus der DC-Eingangsspannung eine AC-Spannung erzeugt, kann das SMPS die Spannung mit Transformatoren entweder hoch- oder heruntertransformieren und die Spannung dann am Ausgang wieder zu DC filtern.

Pulsweitenmodulierte (PWM) Schaltnetzteile arbeiten entweder im Vorwärtsmodus oder im Boost-Modus. Vorwärtsmodus-Netzteile haben einen L-C-Filter am Ausgang, der aus dem Volt-Zeit-Mittelwert des vom Filter erhaltenen Ausgangs eine DC-Ausgangsspannung erzeugt. Um den Volt-Zeit-Mittelwert des Signals zu steuern, ändert der Schaltnetzteil-Controller das Tastverhältnis der Rechteckspannung am Eingang.

Boost-Modus-Netzteile schalten eine Induktivität direkt über die Eingangsspannungsquelle, wenn der Netzschalter eingeschaltet wird. Der Induktionsstrom steigt von Null an und erreicht seinen Spitzenwert, wenn der Netzschalter ausgeschaltet wird. Ein Ausgangsgleichrichter klemmt die Ausgangsspannung der Induktivität und verhindert, dass die Spannung die Ausgangsspannung der Versorgung überschreitet. Wenn die im Kern der Induktivität gespeicherte Energie an den Ausgangskondensator übergeht, fällt der geschaltete Anschluss der Induktivität auf das Niveau der Eingangsspannung zurück.

EMI-Filter innerhalb des SMPS unterdrücken hochfrequentes Rauschen, das durch die hochfrequenten Ströme in der DC-Eingangs- und Ausgangsverdrahtung verursacht wird. Sie können die integrierten Komponentenpreise und -verfügbarkeiten sowie die Links zu den Datenblättern in den Bibliotheken und im Altium Content Vault verwenden, um die Filter auszuwählen, die die besten Ergebnisse liefern.

Mit Altium Designer können Sie auch die entsprechenden Designregeln auswählen, um die Filter so anzuordnen, dass die Schaltenergie nicht um die Filter herum auf Leiterbahnen koppelt, die sich auf der anderen Seite des Filters befinden.

Neben der Verwendung des PCB-Editors zur Erstellung eines guten Layouts können Sie den Schaltplan-Editor verwenden, um die EMI-Filter in der Nähe der Stelle zu platzieren, an der das Signal das Gehäuse verlässt. Darüber hinaus sorgen gute Layout-Praktiken in Kombination mit der einfach zu bedienenden Verdrahtung und der Smart Paste-Funktion für ein klares Layout und konsistente Abstände des EMI-Schaltkreises, um induktive Kopplungen zwischen den Eingangs- und Ausgangsbahnen zu vermeiden.

ALTIUM DESIGNER HILFT BEIM ROUTING DER STROMVERSORGUNG

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. Wenn Sie an dem Layout des Netzteils arbeiten, sollten Sie die Leiterbahnen, die hohe Schaltströme verarbeiten, möglichst kurz, direkt und dick halten. Die Hersteller empfehlen für die Leiterbahnen eine Mindestdicke von 15 mil pro Ampere. Sie können über die Active Bar von Altium Designer ganz einfach auf Routing-Befehle zugreifen und Objekte in Schaltplan, PCB, Draftsman und Bibliotheksdokumenten platzieren.

Schaltnetzteilschaltungen bestehen aus einer Leistungsschalterschleife und Ausgangs-Gleichrichterschleifen. Achten Sie bei der Auslegung des Netzteils besonders auf den Umfang der Schleifen sowie auf die Länge und Breite der Leiterbahnen. Ein kleiner Schleifenumfang verhindert, dass die Schleife als niederfrequente Rauschantenne wirkt. Im Hinblick auf die Schaltungseffizienz bieten die breiteren Leiterbahnen auch eine zusätzliche Wärmeableitung für den Leistungsschalter und die Gleichrichter.

Da Schaltregler mit „Ein“- und „Aus“-Stromzuständen arbeiten, fließen große Stromimpulse mit scharfen Flanken innerhalb des Schaltnetzteilkreises und erzeugen EMI. Jeder „Ein“- und „Aus“-Zustand führt dazu, dass Leistungskomponenten leiten und die Stromschleife bilden. Ein gutes Schaltnetzteil-Layout erfordert die Anordnung der durch die Ströme definierten Schleifen. Sie können die Active Route Routing-Engine verwenden, um Ihre Komponenten so anzuordnen, dass die schaltenden Stromschleifen in die gleiche Richtung leiten. Da die Stromschleifen in die gleiche Richtung führen, koppelt die Steuerschaltung an bestimmte Stellen im Layout. Dadurch kann sich das Magnetfeld nicht entlang der Leiterbahnen, die sich zwischen den beiden Halbkreisen befinden, umkehren und abgestrahlte EMI erzeugen.

• Erfahren Sie mehr über die Reduzierung von EMI in Kommunikationssystemen.  
• Erfahren Sie mehr über Techniken zur Reduzierung von EMI im Layout. 
• Erfahren Sie, wie Sie EMI durch die richtige Platzierung der Komponenten reduzieren können. 

Die Möglichkeiten der Smart-Routing-Funktionen sind endlos

Layout-Hilfe bei SMPS-Wechselspannungsknoten 

Je nach SMPS-Konfiguration liegen die Wechselspannungsknoten am Drain des Leistungs-MOSFETs oder am Kollektor eines BJTs und den Anoden der Ausgangsgleichrichter. Alle Knotenpunkte können hohe Wechselspannungen aufweisen. Beispielsweise kann die Spitze-Spitze-Wechselspannung am MOSFET-Drain das Ein- bis Zweifache der Eingangsspannung betragen. Da der Drain über einen Isolator mit einem Kühlkörper verschraubt ist, bietet der geerdete Kühlkörper einen Pfad für kapazitiv gekoppeltes Rauschen. Sie können die PCB-Layout-Tools in Altium Designer verwenden, um empfindliche Signale auf der gleichen Seite, statt unter einem verrauschten AC-Knoten zu platzieren. Außerdem können Sie alle Masseebenen, die sich unter dem Knoten befinden, schraffieren, um das Rauschen zu eliminieren.

Oberflächenmontierte Umgebungen weisen geringere Kapazitätswerte auf, können aber Rauschen in empfindliche Signale einkoppeln. Aufgrund dieser Faktoren muss Ihr Layout auch die Möglichkeit der kapazitiven Einkopplung der AC-Knotenspannungen in Kühlkörper oder benachbarte Masseebenen berücksichtigen. Beim Layout eines oberflächenmontierten PCB-Designs sollten die Knoten groß genug sein, um als Kühlkörper für den Leistungsschalter oder den Gleichrichter zu dienen. Einige mehrlagige Designs erhöhen die thermische Masse des Designs, indem alle Lagen unterhalb des AC-Knotens identisch mit dem AC-Knoten sind und die Lagen mit durchkontaktierten Löchern verbunden werden.

REDUZIEREN SIE DIE KOMPLEXITÄT MIT ALTIUM DESIGNER 

Das Layout für ein Schaltnetzteil erscheint wie eine riesengroße und überwältigende Aufgabe. Mit Altium Designer erhalten Sie Tools, die die Komplexität einer Stromversorgung herunterbrechen und in leicht verständliche Aufgaben aufteilen. Mit der einheitlichen Struktur von Altium Designer können Sie das richtige Layout auswählen, effektives Routing anwenden und Designregeln aufstellen.

• Erfahren Sie mehr über schematische Designregeln.
• Erfahren Sie mehr über die einzigartige vereinheitlichte Designumgebung von Altium.
• Erfahren Sie mehr über die Definition neuer Lagenstapel für Ihre Leiterplatte.

Mit Altium Designer können Sie Ihre Effizienz steigern und sich die Kopfschmerzen sparen, die Sie von den Plug-and-Practice-Ansätzen von CAD-Tools bekommen. Altiums vereinheitlichte Designumgebung wurde mit dem Ziel geschaffen, für Designer und Designteams eine bessere Kompatibilität mit dem gesamten elektronischen Produktionsprozess zu schaffen. Das ist für die Erstellung moderner Elektronik von unschätzbarem Wert. Testen Sie Altium Designer noch heute.