Bei vielen unserer kundenspezifischen Entwicklungsprojekte ist es notwendig, eine Stromversorgung mit DC/DC Wandler in die Baugruppe oder das Gerät zu integrieren. Es gibt heute sehr viele Wandlermodule fertig zu kaufen; sie können jedoch aus verschiedenen Gründen nur selten eingesetzt werden. Zum einen gibt es funktionelle/technische Anforderungen – z.B. Wirkungsgrad oder EMV –, die gegen den Einsatz eines Kaufmoduls sprechen. Zum anderen kann bei einer entsprechenden Serienstückzahl die Implementierung einer eigenen Lösung günstiger sein als die entsprechende Lösung aus den Katalogen verschiedener Anbieter – auch unter Berücksichtigung der zusätzlichen Entwicklungskosten.

Im Fokus der folgenden Grundregeln, Tipps und Tricks zum Design eines Schaltreglers stehen galvanisch nicht getrennte Wandler, auch Point of Load Converter genannt.

Auswahl des Wandlerprinzips

Buck

Ein Buck-Konverter kommt immer dann zum Einsatz, wenn die gewünschte positive Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung ist.

Boost

Der Boost-Konverter ist in der Lage, aus einer kleinen Eingangsspannung eine größere (positive) Ausgangsspannung zu erzeugen.

Inverting
Wie der Name sagt, wird eine negative Ausgangsspannung erzeugt. Dabei lassen sich nahezu beliebige Verhältnisse der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung einstellen.

Sepic
Die (positive) Eingangsspannung kann sowohl größer als auch kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung sein.

Asynchrones vs. synchrones Design

1. Asynchron
   Klassischer Aufbau mit Catch-Diode
   Vorteile: Einfacher Aufbau; Kostengünstig
   Nachteil: Etwas geringerer Wirkungsgrad
   Ein kritischer Punkt ist die Auswahl der Catchdiode.
   Mit steigender Eingangsspannung ist verstärkt auf eine geringe Sperrschichtkapazität zu achten. Eine zu große Sperrschichtkapazität verringert den Wirkungsgrad (insbesondere im Teillastbereich) und verursacht hochfrequente Störaussendung. Andererseits ist bei hohen Strömen eine möglichst geringe Durchlassspannung zur Optimierung des Wirkungsgrads nötig. Diese beiden Forderungen widersprechen sich teilweise. Je nach Einsatzzweck ist hier ein Kompromiss zu finden.
2. Synchron
   Beim synchronen Design kommt anstelle der in den Prinzipschaltbildern gezeichneten Diode ein zusätzlicher Mosfet zum Einsatz. Hierdurch kann der Spannungsabfall verringert werden.
   Vorteil: Höherer Wirkungsgrad, insbesondere bei kleinen Ausgangsspannungen
   Nachteile: Teurer; Etwas aufwändigeres Design.

Regler vs. Controller

1. Schaltregler mit integrierten Leistungshalbleitern:
   Diese kommen insbesondere in Betracht, wenn kleinere Leistungen zu verarbeiten sind (Ausgangsstrom bis ca. 5 Ampere). Aufgrund des einfacheren Designs ist diese Lösung zu bevorzugen, wenn es einen Baustein gibt, der für den Einsatzzweck geeignet ist.
   
   
2. Controller mit externen Leistungshalbleitern
   Findet sich kein passender integrierter Regler, muss der Wandler mit einem Controller und Leistungshalbleitern diskret aufgebaut werden. Dies ist meist bei höheren Ausgangsleistungen oder bei hohen Eingangsspannungen der Fall.

EMV Beschaltung
Allen Schaltreglern ist gemeinsam, dass am Eingang ohne zusätzliche Maßnahmen ein rechteckförmiger, gepulster Strom fließt. Des Weiteren entstehen zusätzliche Stromspitzen zum Umladen parasitärer Kapazitäten am Schaltknoten. Am Eingang sind also Maßnahmen erforderlich, die die Rückwirkungen auf die Eingangsspannung verringern. Direkt am Eingang des Schaltreglers ist eine hinreichende Kapazität mit geringem ESR notwendig, um die Pulsströme direkt an der Quelle zu puffern. Die Stromzuführung aus der Versorgung wird über einen Ferrit oder eine Entstördrossel sichergestellt, um eine möglichst wenig gepulste Stromaufnahme zu erreichen. 
Als Grundregel beim Design ist festzuhalten, dass die gepulsten Ströme nur in einem möglichst kleinen Bereich innerhalb des Schaltreglers fließen dürfen und von der Umgebung abgeschirmt werden müssen.

Am Ausgang ist bei passender Dimensionierung der Speicherdrossel in Kombination mit einer hinreichenden Kapazität (auf niedrigen ESR achten) in der Regel keine zusätzliche Filterung erforderlich. Nur bei hohen Anforderungen an die Restwelligkeit kommen weitere Maßnahmen in Frage.

Die Speicherdrossel sollte neben einem geringen ESR auch ein gutes HF Verhalten aufweisen. Seit einiger Zeit sind mit Ferritharz vergossene Spulen zu günstigen Preisen auf dem Markt, die für den Einsatz in kleineren Schaltreglern gut geeignet und magnetisch geschirmt sind (z.B. Murata LQHxxP Serie, Tayo Yuden NR8040, Vishay IHLP4040 u.a.). 


Layout Richtlinien (am Beispiel Buck-Konverter)
Es empfiehlt sich, den gesamten Bereich des DC/DC Wandlers auf der Leiterkarte als Insel auszuführen. Auch die Anbindung der Masse an die restliche Schaltung sollte nur an einem einzigen Punkt erfolgen, um die gepulsten Ströme innerhalb des Wandlers von der Umgebung abzuschirmen. Im Allgemeinen sind die Verbindungen im Leistungsbereich so kurz und breit wie möglich auszuführen, um Spannungsabfälle zu minimieren. Insbesondere sollte die Fläche, die durch das Dreieck Eingangskondensator – Mosfet/Leistungshalbleiter – Catchdiode gebildet wird, durch geschickte Platzierung und sorgfältiges Routing minimiert werden. Das Netz vor der Speicherdrossel (Schaltknoten) und der Pfad eines Boost-C sollten so kurz und schmal wie möglich geroutet werden, um parasitäre Kapazitäten zu vermeiden. Das Routing hinter der Drossel ist im Vergleich dazu weniger kritisch; hier darf bzw. sollte wieder breiter geroutet werden, um Spannungsabfälle zu minimieren. Zu achten ist auf eine gute Anbindung des Ausgangskondensators; zudem darf die Ausgangsspannung nicht an der Drossel, sondern muss hinter dem Kondensator abgegriffen werden. Die Masseverbindung zwischen Eingangskondensator, Catchdiode (bzw. Low-Side-Switch) und Ausgangskondensator sollte ebenfalls kurz und breit sein.


Vergleich Wandlermodul zu diskret aufgebautem DC/DC Wandler
Beim direkten Vergleich ist zu beachten, dass technisch vergleichbare Lösungen einander gegenüber gestellt werden müssen. Ein Hauptargument der Hersteller von Wandlermodulen ist die verringerte Anzahl von zusätzlichen Bauteilen in der Anwendung. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass in den Wandlermodulen nur selten eine hinreichende Filterung vorhanden ist; daher werden zusätzliche Eingangs- und Ausgangskondensatoren erforderlich. Eine Entstördrossel am Eingang findet man nur in wenigen Fällen. Zum Einstellen der Spannung werden meist sehr unübliche Widerstandswerte benötigt, was sich in Summe auch negativ auf die Stückliste auswirkt. 
Mit modernen Schaltreglern, die integrierte Mosfets aufweisen, ist schon mit sehr geringem Entwurfsaufwand eine Lösung möglich, die durchaus mit einem Wandlermodul konkurrieren kann insbesondere, wenn ohnehin zusätzliche Ein- und Ausgangskondensatoren und Filtermaßnahmen für das Wandlermodul notwendig sind.

Beispiel: Unser kleiner Buck-Konverter (Linear Technology, LTC3601) benötigt neben dem Regler-IC nur noch eine Speicherdrossel, zwei Widerstände zum Einstellen der Spannung und drei Kondensatoren, um zwischen die Ein- und Ausgangskondensatoren einen Wandler mit hohem Wirkungsgrad zu integrieren. Im Vergleich zum Wandlermodul werden also nur unwesentlich mehr Bauteile benötigt. Gleichzeitig bleiben bei der Abstimmung der Bauteile mehr Freiheitsgrade, wodurch es leichter fällt, die Anzahl der Bauteiltypen auf der gesamten Baugruppe zu minimieren.

Tipp: Nutzen Sie zur Berechnung des Spannungsteilers Tools wie Bestpair (www.velotec.com/BestPair.htm) oder Teiler22 (www.ibrtses.com/products/teiler22.zip).

Vorsicht ist beim Einsatz von Bausteinen mit integrierter Speicherdrossel geboten. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse ist die Speicherdrossel sehr knapp dimensioniert. Damit ergibt sich auch bei einer höheren Arbeitsfrequenz ein höherer Stromripple als bei einem Design mit externer Drossel.

Bei Berücksichtigung allgemeiner Regeln und der Anwendungshinweise des Herstellers bergen Schaltregler eher weniger Risiken als Fertigmodule. Die Steuer-ICs sind in der Regel sehr viel besser und ausführlicher dokumentiert als die meisten Fertigmodule. Insbesondere werden beim Einsatz von Fertigmodulen externe Filtermaßnahmen gerne vergessen, da allgemein davon ausgegangen wird, dass in einem Wandlermodul bereits alles Nötige enthalten ist. Beim Kostenvergleich Fertigmodul / individuell entworfene Schaltung muss die jeweilige Umgebung (Kondensatoren, Filter etc.) mit einbezogen werden. 

Michael Fischer 
Dipl. Ing. Elektrotechnik 
Hardware Entwicklung