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Die Erfindung betrifft einen Schaltwandler, insbesondere ein Schaltnetzteil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit mehreren Schaltwandlern dieser Art.
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Ein Schaltwandler, häufig auch Schaltregler genannt, ist ein elektronischer Baustein, der zwischen eine Spannungs- oder Stromversorgung und eine Last geschaltet wird und durch wiederholtes Öffnen sowie Schließen eines Schalters eine im zeitlichen Mittel an die Last angepasste Spannungs- bzw. Stromversorgung der Last gewährleistet. Zu den Schaltwandlern gehören beispielsweise Schaltnetzteile, Aufwärtswandler (boost-converter, step-up-converter), Abwärtswandler (buck-converter, step-down-converter), Invertierende Wandler (inverter), Sperr-Wandler (fly-back-converter), Durchfluss-Wandler (single transistor-forward-converter) aber auch Kombinationsschaltungen aus diesen Grundtypen. Der prinzipielle Aufbau derartiger Schaltwandler ist dem Fachmann wohl bekannt und zudem in entsprechender Fachliteratur (z. B.: U. Thietze, Ch. Schenk; Halbleiter-Schaltungstechnik; 12. Auflage; Springer-Verlag; 2002) ausführlich beschrieben.
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Im Vergleich zu möglichen Alternativen, wie zum Beispiel einem linearen Serienregler anstelle eines Schaltnetzteils oder einem Spannungsteiler anstelle eines Abwärtswandlers, zeichnen sich Schaltwandler durch eine meist geringere Baugröße, eine häufig einfachere und kostengünstigere Realisierungsmöglichkeit und vor allem durch eine geringe Verlustleistung aus. Ein grundsätzlicher Nachteil dieser Technik ist jedoch der Umstand, dass Schaltwandler elektromagnetische Störstrahlung in einem unerwünschten Frequenzbereich und mit ungünstiger Intensität aussenden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schaltwandler anzugeben, dessen typische Störstrahlungs-Charakteristik und demzufolge dessen Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) günstiger sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Aufgebaut ist ein Schaltwandler aus mehreren Wandlerbausteinen, oder kurz Bausteinen, unterschiedlicher Komplexität. Einer dieser Bausteine wirkt als Schalter und ist typischerweise durch einen Transistor, meist einen Feldeffekttransistor, gegeben. Ein weiterer Baustein dient zur Ansteuerung des Schalters und fungiert zudem als Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung. Daneben weist der Schaltwandler auch einige sehr einfache Bausteine auf, die jeweils durch ein passives Bauelement gegeben sind. Auf genau diese einfachen Bausteine wird nachfolgend stets Bezug genommen, wenn von passiven Bauelementen die Rede ist, auch wenn in den komplexeren Bausteinen genau genommen ebenfalls passive Bauelemente verbaut sind.
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Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die hier vorgenommene Einteilung sich nicht danach richtet, welche Bauteile oder Bauteilgruppen als Bausteine auch separat vertrieben oder typischerweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, sondern vorrangig einer übersichtlichen Darstellung dient. Daneben ist die Einteilung auch derart vorgenommen, dass die jeweilige Funktionsweise der einzelnen Wandlerbausteine dem Fachmann wohl bekannt und zudem in entsprechender Fachliteratur (z. B.: U. Thietze, Ch. Schenk; Halbleiter-Schaltungstechnik; 12. Auflage; Springer-Verlag; 2002) ausführlich beschrieben ist.
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Die als Bausteine betrachteten passiven Bauelemente sind im Schaltwandler direkt oder indirekt über andere passive Bauelemente mit dem Schalter einerseits und einem Masseanschluss andererseits elektrisch leitend verbunden. Hierbei steht das Massepotential des Masseanschlusses stellvertretend für ein beliebiges Referenz- oder Bezugspotential, welches dem Erdpotential typischerweise entspricht, jedoch nicht entsprechen muss. Es handelt sich dabei im Allgemeinen lediglich um ein gemeinsames Referenz- bzw. Bezugspotential für die Eingangsspannung am Schaltwandler, die Bausteine des Schaltwandlers und die Ausgangsspannung am Schaltwandler.
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Nach dem Stand der Technik ist der Masseanschluss im Schaltwandler räumlich ausgedehnt und mit mehreren Masseanschlusskontakten versehen. Mit den Masseanschlusskontakten wiederum sind einzelne Anschlusskontakte verschiedener Wandlerbausteine elektrisch leitend verbunden.
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Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass diese geometrische Anordnung die Störstrahlungs-Charakteristik des Schaltwandlers nachteilig beeinflusst. Die mittels Schalter erzeugten Spannungs- oder Strompulse bedingen transiente Spannungen bzw. Ströme, so dass die Anschlusskontakte, welche mit Masseanschlusskontakten verbunden sind, in der Regel nicht auf dem gleichen Potential liegen. Dadurch werden in elektrisch leitfähigen Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnteilstücken, die räumlich zwischen diesen Kontakten liegen, unerwünschte Spannungen bzw. Ströme angeregt. In Folge dessen wirken diese Strukturen als parasitäre Induktivitäten, welche die Störstrahlungs-Charakteristik des Schaltwandlers zum Beispiel durch Anregung von Gleichtaktstörungen nachteilig beeinflussen.
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Um dies so weit möglich zu vermeiden, werden erfindungsgemäß zumindest die Anschlusskontakte der passiven Bauelemente, welche für eine Verbindung mit Masseanschlusskontakten vorgesehen sind, einerseits möglichst nah beieinander positioniert und andererseits unter Ausbildung eines Masseknotenpunktes elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Masseknotenpunkt wiederum wird elektrisch leitend mit einem Masseanschlusskontakt verbunden. Diese Verbindung ersetzt somit die nach dem Stand der Technik separaten Verbindungen der Anschlusskontakte mit den Masseanschlusskontakten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es zusätzlich angedacht, zwischen dem Masseknotenpunkt und dem dazugehörigen Masseanschlusskontakt eine Drossel zwischenzuschalten. Auf diese Weise wird die Einkoppelung unerwünschter hochfrequenter Störpotenziale in den Masseanschluss zumindest teilweise unterbunden.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung entsprechend ist für den Schaltwandler ausgangsseitig ein Glättungskondensator vorgesehen, wobei ein Anschlusskontakt des Glättungskondensators mit dem Masseknotenpunkt elektrisch leitend verbunden ist. Mit Hilfe des Glättungskondensators wird die Ausgangsspannung im Wesentlichen stabilisiert und entsprechende Spannungsschwankungen am Ausgang werden verringert.
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Des Weiteren ist es zweckmäßig, zusätzlich zum Glättungskondensator eine Diode und eine Spule als passive Bauelemente einzusetzen. Hiermit lassen sich die am häufigsten genutzten Grundtypen eines Schaltwandlers auf einfache Weise realisieren.
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Bevorzugt ist weiter eine Ausführung, bei der die Wandlerbausteine auf einer Leiterplatte positioniert und im Wesentlichen über diese elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hier ist der Schaltwandler typischerweise eine Funktionseinheit eines komplexeren elektronischen Gerätes, für welches eine genau definierte Versorgungsspannung oder Stromversorgung zur Verfügung stehen muss.
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Je nach Verwendungszweck ist es zudem zweckdienlich, wenn die Leiterplatte mehrere voneinander isolierte und elektrisch leitfähige Schichten aufweist, und wenn die Anschlusskontakte der passiveren Bauelemente und der Masseknotenpunkt einer Schicht zugeordnet oder in dieser positioniert sind. Bei einem solchen Mehrschichtaufbau ist typischerweise zumindest eine Schicht als Masseanschluss, zumindest eine Schicht für die Versorgungsspannung und eventuell mindestens eine Schicht für eine Signalleitung vorgesehen. In einem solchen Fall wird der Masseknotenpunkt vorteilhafterweise in der Schicht für die Versorgungsspannung positioniert. Eine sehr häufig genutzte Variante dieser Leiterplatten mit Mehrschichtaufbau stellt eine Leiterplatte, zum Beispiel aus faserverstärktem Kunststoff, mit elektrisch leitfähigen Strukturen auf der Oberseite, auch Bestückungsseite genannt, und der Unterseite, meist als Masseanschluss genutzt, welche lokal mittels Durchkontaktierungen (VIA: vertical interconnect acsess) verbunden sind, dar. Hier werden die Anschlusskontakte der passiveren Bauelemente und der Masseknotenpunkt vorzugsweise auf der Ober- oder Bestückungsseite positioniert.
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Außerdem ist es zweckmäßig, für den Schalter einen so genannten Jitter- oder Spread-Spectrum-Oszillator vorzusehen. Mit diesem wird in an sich bekannter Art und Weise die Schaltfrequenz des Schalters in einem festgelegten Frequenzbereich permanent variiert. Dadurch verteilt sich auch die Energie der abgegebenen Störstrahlung auf ein entsprechend breites Frequenzband. Als Folge wird die Intensität einzelner Frequenzen auf ein eher unproblematisches Niveau reduziert.
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Sind beispielsweise aufgrund des Raumbedarfes der Wandlerbausteine und der dadurch bedingten Distanz zwischen den Anschlusskontakten mehrere Masseknotenpunkte für einen Schaltwandler angedacht, so sind diese vorzugsweise auf kürzestem Weg elektrisch leitend miteinander verbunden. Die entsprechende Verbindung ist dabei beispielsweise durch ein Leiterbahnsegment oder eine Leiterfläche gegeben. Eine derartige Verbindung mehrerer Masseknotenpunkte wird zudem bevorzugt, wenn eine Anordnung mehrerer Schaltwandler vorgesehen ist. Die Verbindungen mehrerer Masseknotenpunkte treffen sich dann vorteilhafter Weise in einer Masseknotenpunkt- oder einer Massepotential-Fläche.
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Schließlich ist eine Anordnung mehrerer Schaltwandler vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass für jeden Schalter ein Jitter- bzw. Spread-Spectrum-Oszillator mit einer eigenen und nicht identischen Taktfrequenz vorgesehen ist. Hierdurch wird ein Ansteigen der Intensitäten von einzelnen Frequenzen der Störstrahlung aufgrund von Überlagerung oder Resonanz mit zunehmender Anzahl von Schaltwandlern weitgehend vermieden. Stattdessen erweitert sich im Grunde lediglich die Breite des Frequenzbandes der ausgesendeten Störstrahlung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 nach Art eines Blockdiagramms eine schematische Darstellung eines Abwärtswandlers (buck-converter) nach dem Stand der Technik und
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2 nach Art eines Blockdiagramms eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abwärtswandlers (buck-converter).
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in 1 schematisch dargestellten Schaltwandler 1 handelt es sich um einen Abwärtswandler gemäß Stand der Technik. Dieser ist beispielsweise auf einer nicht mit abgebildeten Multilager-Leiterplatte mit Durchkontaktierungen (VIA: vertical interconnect acsess) angeordnet, wobei eine leitfähige Schicht als Masseanschluss 2 dient. Dementsprechend fungieren die belegten Durchkontaktierungen als Masseanschlusskontakte a, b, c, d, e. Eine zweite leitfähige Schicht trägt das Gegenpotential und weist belegte Anschlusskontakte A, B, C, D auf.
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Die gemäß Abbildung auf der linken Seite positioniertem Kontakte A und a bilden den Eingang des als Vierpol beschreibbaren Schaltwandlers 1, welcher typischerweise mit einer hier nicht gezeigten Spannungs- oder Stromversorgung verbunden ist. Demgegenüber angeordnet sind die Kontakte D und e, welche den Ausgang des Vierpols darstellen und dementsprechend mit einer nicht dargestellten Last verbunden sind.
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An den Ausgang des Schaltwandlers 1 schließt sich, in Richtung Eingang gesehen, eine Masche 3 an, in welcher eine Diode 4, eine Speicherspule 5 und ein Glättungskondensator 6 aneinander gereiht und über die Anschlusskontakte B, C miteinander sowie über die Masseanschlusskontakte c, d mit dem Masseanschluss 2 elektrisch leitend verbunden sind. Hierbei werden die drei passiven Bauelemente jeweils als Wandlerbaustein mit zwei Anschlusskontakten betrachtet.
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Weiter ist ein Schaltbaustein 7 mit mehreren, teilweise nicht abgebildeten, Anschlusskontakten vorgesehen, der einen Schalter 8 und einen Regelbaustein 9 umfasst. Derartige Schaltbausteine 7 werden auch separat vertrieben und sind typischerweise in einem Gehäuse 10 untergebracht oder eingegossen. Der Schalter 8 ist geeigneterweise durch einen Transistor mit geringen Schaltverlusten und im Ausführungsbeispiel durch einen Feldeffekttransistor gegeben, dessen Drain-Anschluss 11 mit dem Anschlusskontakt A des Eingangs und dessen Source-Anschluss 12 mit dem Anschlusskontakt B zwischen der Diode 4 und der Speicherspule 5 verbunden ist. Der Gate-Anschluss 13 des Schalters 8 wird vom Regelbaustein 9 angesteuert, wobei ein so genannter Treiber, also eine Ansteuer- oder Stromverstärkerschaltung, vorgesehen sein kann, um möglichst kurze Schaltzeiten zu gewährleisten.
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Durch das wiederholte Öffnen und Schließen des Schalters 8 liegt im zeitlichen Mittel am Ausgang eine Spannung an, deren Wert kleiner ist, als der der Eingangsspannung. Die Speicherspule 5 wirkt dabei als Energiespeicher, welcher aufgeladen wird, solange der Schalter 8 geschlossen ist, und der sich entlädt, solange der Schalter 9 geöffnet ist. Durch die Schaltung des Glättungskondensators 6 parallel zum Ausgang werden die bei konstanter Last und konstanter Versorgung im Wesentlichen periodischen Spannungs- bzw. Stromänderungen am Ausgang zumindest teilweise kompensiert, so dass hier in erster Näherung die gewünschte Gleichspannung anliegt. Die Anschlusskontakte B, C und D liegen somit auf dem sogenannten Schaltwandler- oder Schaltregler-Potential.
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Zur Kompensation von Versorgungs- und Laständerungen ist darüber hinaus eine Regelschleife vorgesehen. In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung, die über den Anschlusskontakt C als Stellgröße im Regelbaustein 9 wirkt, wird der Schaltertakt durch Pulsweitenmodulation variiert.
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Als Folge der mittels Schalter 8 erzeugten Spannungs- oder Strompulse und damit der hochfrequenten Spannungen bzw. Ströme in der Masche 3, liegen die Masseanschlusskontakte c und d in der Regel nicht auf gleichem Potenzial. In elektrisch leitfähigen Strukturen, die räumlich zwischen beiden Punkten angeordnet sind, werden aufgrund dessen unerwünschte Spannungen bzw. Ströme hervorgerufen, wodurch die Strukturen als parasitäre Induktivitäten 14 wirken, die ihrerseits zu Gleichtaktstörungen und schließlich zu einem erhöhten Störpotential führen.
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In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Schaltwandlers 1 ist die räumliche Trennung der Masseanschlusskontakte c und d, wie in 2 zu sehen, aufgehoben. Aufgrund der räumlichen Nähe von Diode 4 und Glättungskondensator 6 einerseits und der Ausbildung eines Masseknotenpunktes E durch Verbinden der Anschlusskontakte von Diode 4 und Glättungskondensator 6 andererseits wird die parasitäre Induktivität 14 aus der Masche 3 getilgt. Anstelle jeweils einer eigenen Verbindung zum Masseanschluss und damit einem eigenen Masseanschlusskontakt c, d sind die Diode 4 und der Glättungskondensator 6 in der erfindungsgemäßen Ausführung über den Masseknotenpunkt E und den Masseanschlusskontakt f mit dem Masseanschluss 2 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- U. Thietze, Ch. Schenk; Halbleiter-Schaltungstechnik; 12. Auflage; Springer-Verlag; 2002 [0002]
- U. Thietze, Ch. Schenk; Halbleiter-Schaltungstechnik; 12. Auflage; Springer-Verlag; 2002 [0007]
