Bei einem Schaltreglerdesign (Abwärtswandler, Tiefsetzsteller, Step-Down-Converter, Buck-Converter oder Abwärtsregler) sind vorrangig zwei Strompfade interessant:
Beim Laden der Spule:
Phase 1: Eingangs-C -> Schalter -> Spule -> Ausgangs-C -> Eingangs-C
Beim Freilauf:
Phase 2: Ausgangs-C -> Freilaufdiode -> Spule -> Ausgangs-C
Wie immer, wenn Ströme fließen, gilt es auch hier, die Flächen und Widerstände dieser Stromschleifen möglichst klein zu halten.
Nehmen wir als Ausgangspunkt einen Schaltregler mit dem LM2676, der 24V auf 5V wandeln soll:
Bauteile:
| Nummer | Wert |
| U104 | LM2676-ADJ |
| C131 | 47u/35V |
| C132 | 10n |
| C133 | 150u/10V |
| R131 | 1k |
| R132 | 3k16 |
| V120 | 30BQ060 |
| L101 | 33u UP3B-330 |
Hier sind diese beiden Ströme GELB (Phase 1, Laden) bzw. ORANGE (Phase 2, Leerlauf) eingezeichnet:
Als ersten Versuch mache ich daraus ein einseitiges Layout:
Schön, könnte man sagen. Alle Bauteile hübsch kompakt untergebracht, das ist schon was. Nur die Leiterbahnquerschnitte sind suboptimal, die könnten noch deutlich breiter werden. Aber der Knackpunkt kommt hier: wenn ich die Stromschleifen aus dem Schaltplan ins Layout übertrage, sieht das so aus:
Mit einer doppelseitigen Platine wäre dagegen dieses Layout möglich:
Und hier die Stromschleifen:
Schon mit wenig Phantasie kann man erkennen, dass das zweite Layout kompakter und aufgeräumter aussieht. Die Schleifen sind räumlich kleiner, die Leiterbahnquerschnitte großzügig und die Leiterbahnverläufe kurz.
In der Praxis hat dann auch das erste Layout bei der EMV-Messung signifikant schlechtere Werte. Nun könnte jemand sagen: Für mich ist das uninteressant, es ist mir egal, ob mein Regler andere stört. Zu Denken sollte aber geben, dass das Ganze ja kein Sender, sondern ein Spannungswandler sein soll. Und die Energie, die in die Luft abgestrahlt wird, kann nicht mehr am Ausgang herauskommen 
Als kleine Verschärfung des Stromkreis-Prinzips ist dann noch die Forderung, dass möglichst keine Änderungen des Stromflusses zwischen den beiden Strompfaden sein sollte.
Wenn diese beiden Strompfade berücksichtigt wurde, hat man das Design zu 90% in der Tasche. Aus EMV-Sicht kommt allerdings noch ein dritter dazu, der es richtig knacken lassen kann:
Übergang von Phase 2 nach Phase 1: Eingangs-C -> Schalter -> Diode -> Eingangs-C
Das ist der Recovery-Pfad. Dieser wird interessant beim Einschalten des Schalttransistors, wenn die Diode gerade (noch) leitet. Weil die Diode leitet, braucht sie ein paar Nanosekunden, bis sie sperrt und bildet solange einen Kurzschluss von der Eingangsspannung über den eingeschalteten Transistor über die leitende Diode nach Masse.
Hier in CYAN dieser Strompfad.
Weil insbesondere auch hier wegen des Kurzschlusses mit sehr steilen Stromwechselflanken gerechnet werden muß, sollte die Fläche dieses Pfades sehr klein ausfallen. Im Fall des ersten Layouts ist diese Forderung nicht im mindesten erfüllt, das Design wird ein Störsender sein:
Im zweiten Layout ist dieser Pfad schön kurz:
Dieser kurze Pfad hat sich durch die Beachtung des Lade- und Freilaufstromkreises automatisch ergeben.
Zusammengefasst:
Idealerweise sind alle drei Strompfade (Laden, Freilauf und Recovery) möglichst kompakt. Bei Lade- und Freilaufstromkreis sollte zudem keine Änderung der Stromflussrichtung stattfinden.
Diese Strompfade wurden hier exemplarisch mit einem Step-Down-Wandler dargestellt. Sie sind aber in allen üblichen Schaltreglertopologien mehr oder weniger einfach zu finden. Beim Step-Up-Wandler geht der Recovery-Pfad z.B. über die Diode und den Schalttransistor und schließt so den Ausgangskondensator kurz.
Aber auch die Erfassung und Rückführung der Ausgangsspannung (Feedback) über R132 und R131 sollte genau angeschaut werden. Bei der ersten (schlechteren) Variante fließt der Laststrom vom Ausgangskondensator zum Eingangskondensator und beeinflusst auf dem Rückweg das GND-Potential von R131. So kann (auch abhängig vom Laststrom) die Ausgangsspannung nicht zuverlässig erfasst und geregelt werden. Ein unruhiges Reglerverhalten ist das Ergebnis.
Das ist beim zweilagigen Design besser: hier sind die Last- und Messstromkreise komplett voneinander getrennt. Das Ergebnis ist eine stabilere und rauschärmere Ausgangsspannung.
Auf jeden Fall sollte auch beachtet werden:
1. die Einspeisung der Spannung erfolgt direkt am Eingangskondensator (wie im Schaltplan eingezeichnet). Wird die Spannung z.B. am Schaltregler eingespeist, dann ist eine erhöhte Störstrahlung zu erwarten, denn der Schaltreglerpin wird ja (das liegt in der Natur der Sache) hochfrequenz ein- und ausgeschaltet.
2. die Auskopplung der geregelten Spannung erfolgt (wie auch der Anschluss des Feedback-Widerstandes R132) direkt am Ausgangskondensator. Das ist leider aus dem Schaltplan nicht so klar ersichtlich. Im beiden Layouts ist es aber korrekt ausgeführt.
3. keine Leitung und auch keine Massefläche unter der Spule. Denn sonst koppelt das Magnetfeld der Spule in die Leiterbahn oder die Masse ein und induziert dort Störströme.
Und auch wenn es nichts mit dem Layout an sich zu tun hat, ganz zum Schluss noch ein Wort zur Spule: die billigen Ringkern-Entstördrosseln mit Metallpulverkern sind auf maximale Verluste in einem bestimmten Frequenzbereich getrimmt, denn sie sollen ja das Störsignal entfernen. Wegen der hohen Verluste solche Spulen für Schaltregler absolut nicht geeignet. Der Regler wird zwar irgendwie irgendwas tun, aber er erreicht entweder schon gar nicht die gewünschte Ausgangsspannung, oder diese ist extrem lastabhängig. Und auch wenn so eine Entstördrossel mit einem 50kHz Schaltregler noch "annehmbar" funktioniert, dann ist spätestens bei Schaltfrequenzen ab 200kHz Ende der Fahnenstange: der Spulenkern wird übermäßig heiß und der Wirkungsgrad miserabel.
Die Spule für einen Schaltregler muss eine Speicherdrossel aus einem Ferritwerkstoff sein. Der eigentliche Stolperstein ist nun, dass es auch solche Spulen mit Ringkern gibt. Hier heißt es also "Augen auf und Datenblatt angeschaut!"
Der sicherste Weg zur richtigen Spule ist es, wenn die Bauform gar kein Ringkern, sondern ein quadratischer, magnetisch geschlossener Kern ist. Hier exemplarisch die WE-PD von Würth electronic oder die MSS von Coilcraft. Wer sich an diese Bauformen hält, ist fast automatisch auf dem richtigen Weg.
