Wie der Strom richtig fließt

Optimales Schaltreglerdesign – von der Schaltplananalyse über die Platzierung der Bauteile bis zum Leiterbahnlayout

Der Vorteil moderner Schaltregler-Netzteile liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad, verbunden mit einer geringen Wärmeentwicklung. Heute finden sie verstärkt Anwendung in Prozessorschaltungen oder mit komplexen FPGAs (integrierte Schaltkreise mit programmierbarer Schaltung), die eine Vielzahl von Spannungen benötigen. Der Strombedarf moderner Prozessoren und FPGAs steigt in Richtung mehrerer Ampere pro Bauteil. Für eine sichere und störungsfreie Funktion des Schaltreglers ist ein kompaktes, induktivarmes Layout entscheidend.


Was sind die wichtigsten Kriterien beim Schaltreglerdesign?

Zunächst müssen die Bauteile hinsichtlich ihrer Anforderungen an das Design ausgewählt werden. Hier ist z. B. bei einem Kondensator neben dem Kapazitätswert auch der ESR zu beachten (Equivalent Series Resistance, äquivalenter Serienwiderstand, in dem Leitungs- und Umpolungsverluste des Kondensators zusammengefasst sind), außerdem die Lebensdauer und der Temperaturbereich. Darüber hinaus sind unter anderem auch die Werte der Induktivitäten optimal zu dimensionieren.

Kompakter und induktivarmer Layoutaufbau

Beim Layout ist es elementar wichtig, die Bauteile so zu platzieren, dass sie einen möglichst kompakten und induktivarmen Aufbau bilden. Die Stromflussrichtung der jeweiligen Kreise muss hierbei unbedingt beachtet werden. Ebenso ist genauestens darauf zu achten, wie die unterschiedlichen Massen (GND) im Layout verdrahtet werden.

Die Grundfunktion eines „Step-Down-Reglers“ zeigen wir nachstehend auf. Beispielhaft wird eine Gleichspannung in eine kleinere Gleichspannung umgesetzt.

Grundschaltung: Der Schalter wird in der Praxis durch einen Schalttransistor ersetzt

Grundschaltung: Der Schalter wird in der Praxis durch einen Schalttransistor ersetzt


Bei geschlossenem Schalter wird die Spule L geladen. Es fließt ein Strom durch L und Last

Bei geschlossenem Schalter wird die Spule L geladen. Es fließt ein Strom durch L und Last


Bei geöffnetem Schalter wird Spule L über die Last und Diode entladen

Bei geöffnetem Schalter wird Spule L über die Last und Diode entladen


Designvorgaben der Hersteller unbedingt beachten

Die Problematik liegt im Grund-Wirkungsprinzip des Schaltreglers, nämlich dass er Ströme von mehreren Ampere im kHz-Bereich schaltet. Bei falscher Umsetzung kann dies nicht nur zu erheblichen Störungen und EMV-Probleme führen, sondern im schlimmsten Fall zum Versagen des Schaltreglers. Die Designvorgaben des Bauteileherstellers sind deshalb unbedingt zu beachten. Oft sind jedoch durch bauliche Restriktionen oder andere Lagenaufbauten die Vorgaben nicht umsetzbar. Dann ist es besonders wichtig, dass der Layouter über entsprechendes Know-how verfügt und weiß, worauf es ankommt.

GED entwickelt Standardablauf zur Qualitätssicherung im Schaltreglerdesign

Mehrere Faktoren sind für eine erfolgreiche Umsetzung des Schaltregler-Designs zu berücksichtigen. GED hat zur Qualitätssicherung einen Standardablauf für den Entwurf von Schaltreglerdesigns festgelegt:

  • Analyse des Kundenschaltplans bezüglich bestimmter Bauteile
  • Stromkreisanalyse hinsichtlich der verschiedenen Schaltzustände
  • Bauteileplatzierung für eine induktivarme Verdrahtung und optimalem Stromkreis unter Berücksichtigung der Stromflussrichtung im Layout
  • Leiterbahnkonzept für möglichst niederohmige Verbindungen
  • Entwicklung eines Masse-Konzeptes

Die jahrelange Erfahrung der GED auf dem Gebiet unterschiedlichster Schaltreglerdesigns stellt sicher, dass der Kunde eine zuverlässige Lösung erhält. GED unterstützt ihre Kunden neben dem Layout von Schaltreglern auch allgemein bei der Schaltungsentwicklung.

Beispiel für eine komplexe Weitbereichs-Schaltregler mit Strommessschaltung (Quelle: Linear Technologies)

Beispiel für eine komplexe Weitbereichs-Schaltregler mit Strommessschaltung (Quelle: Linear Technologies)

Möchten Sie mehr erfahren? Rufen Sie einfach an oder schreiben Sie uns:

Telefon: +49 (0) 2247 9219-0.

Oder senden Sie eine Nachricht.