Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Geräten umfasst leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen, die Störanfälligkeit gegenüber leitungsgebundenen Störungen und abgestrahlten Feldern sowie die Immunität gegenüber transienten Störgrößen wie elektrostatischen Entladungen (ESD). Auch die Verzerrung des Versorgungsnetzes durch AC/DC-Wandler fällt darunter. In Europa schreibt die EMV-Richtlinie 2014/30/EU vor, dass Endgeräte die harmonisierten Standards erfüllen müssen. In diesem Artikel betrachten wir leitungsgebundene Störungen von getakteten AC/DC- und DC/DC-Wandlern und wie deren Performance durch Filterelemente beeinflusst werden kann.
EMV- und EMI-Designstrategien für AC/DC- und DC/DC-Stromversorgungen
20.03.2019
Bei der Verwendung von Schaltnetzteilen können elektromagnetische Störungen schnell zu einem Problem werden. Dies gilt sowohl für AC/DC- als auch DC/DC-Wandler. Moderne Designs können hinsichtlich der Leistungsperformance zwar optimiert sein, für Emissions- und Immunitätsprüfungen müssen jedoch manchmal externe Komponenten vorgesehen werden, die die elektrischen Eigenschaften möglichst nicht beeinträchtigen. In einigen Anwendungen ist eine zusätzliche Filterung erforderlich, um die jeweiligen Anforderungen zu erfüllen. Fehlerhaft ausgelegte Filter können jedoch elektromagnetische Störungen sogar verstärken. Dieser Artikel gibt Richtlinien für das Erreichen optimaler elektromagnetischer Verträglichkeit bei AC/DC- und DC/DC-Wandlern, einschließlich der Verwendung externer Filter.
Inhaltsverzeichnis
Hoher Wirkungsgrad kann zu hohen Störpegeln in Stromversorgungen führen
Ingenieure kennen die Vorteile von Schaltwandlern: hoher Wirkungsgrad bei kompakter Bauform und geringem Gewicht. Viele haben sich jedoch bereits mit den dabei entstehenden elektromagnetischen Störungen auseinandergesetzt. Moderne Wandlerdesigns werden durch verbesserte Komponenten und weiterentwickelte Topologien optimiert, etwa durch resonante Ausführungen, die von Natur aus geringere Störpegel erzeugen. Techniken wie Frequenz Dithering helfen zusätzlich, die Störenergie innerhalb einer bestimmten Messbandbreite zu reduzieren. Ursache der Störungen ist das schnelle Schalten der Halbleiter, wobei die für den hohen Wirkungsgrad erforderlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Spannung im Bereich von Nanosekunden liegen sollten.
Die hohen Werte von dV/dt und di/dt lassen sich jedoch nicht vollständig im Wandler begrenzen und treten als Spannungs- oder Stromspitzen auf, die sich entlang der Eingangs- oder Ausgangsleitungen als hochfrequente Störungen ausbreiten. Eine Fourier-Analyse zeigt in Abbildung 1 ein Spektrum der Störungen einer typischen geschalteten Spannung. Sie veranschaulicht, dass mit abnehmenden Anstiegs- und Abfallzeiten Tr und Tf die Bandbreite der Störungen zunimmt, wobei die Gesamtamplitude vom Tastverhältnis der Wellenform Ton/Tp beeinflusst wird [1].
Abb. 1: Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung
Die hohen Werte von dV/dt und di/dt lassen sich jedoch nicht vollständig im Wandler begrenzen und treten als Spannungs- oder Stromspitzen auf, die sich entlang der Eingangs- oder Ausgangsleitungen als hochfrequente Störungen ausbreiten. Eine Fourier-Analyse zeigt in Abbildung 1 ein Spektrum der Störungen einer typischen geschalteten Spannung. Sie veranschaulicht, dass mit abnehmenden Anstiegs- und Abfallzeiten Tr und Tf die Bandbreite der Störungen zunimmt, wobei die Gesamtamplitude vom Tastverhältnis der Wellenform Ton/Tp beeinflusst wird [1].
Abb. 1: Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung
Störkomponenten in AC/DC- und DC/DC-Wandlern
Es gibt zwei Arten leitungsgebundener Störungen: Differential Mode (DM) und Common Mode (CM), die in der Regel gemeinsam auftreten. DM-Störungen werden als Spannung zwischen einer Leitung und ihrer Rückleitung gemessen. CM-Störungen werden zwischen den beiden Leitungen und dem Bezugspotential über eine definierte Impedanz erfasst. Spannungswandler wirken bei hohen Frequenzen häufig als Stromquelle für CM-Störungen. Abbildung 2 zeigt beide Arten schematisch.
DM-Störungen lassen sich einfach mit einem Oszilloskop oder Spektrumanalysator messen, während CM-Störungen den Einsatz eines standardisierten Netzabschlusses, einer Netznachbildung (LISN), erfordern. Diese verfügt über eine definierte Abschlussimpedanz und ein entsprechendes Filter, um Einflüsse aus der vorgelagerten Stromquelle auszuschließen. Die typische 50Ω-Netznachbildung, wie sie beispielsweise in der CISPR 32 für Multimedia-Equipment verwendet wird, ist in der CISPR 16-1-2 definiert.
Die Netznachbildung (LISN) liefert eine gewichtete Kombination aus DM- und CM-Störungen, sodass selbst ohne vorhandene CM-Störungen die Hälfte der Amplitude der DM-Störungen sichtbar ist. Daher ist eine Dämpfung beider Störarten erforderlich, um die Grenzwerte des Standards CISPR 32 und der abgeleiteten Norm EN 55032 einzuhalten.
DM-Störungen lassen sich einfach mit einem Oszilloskop oder Spektrumanalysator messen, während CM-Störungen den Einsatz eines standardisierten Netzabschlusses, einer Netznachbildung (LISN), erfordern. Diese verfügt über eine definierte Abschlussimpedanz und ein entsprechendes Filter, um Einflüsse aus der vorgelagerten Stromquelle auszuschließen. Die typische 50Ω-Netznachbildung, wie sie beispielsweise in der CISPR 32 für Multimedia-Equipment verwendet wird, ist in der CISPR 16-1-2 definiert.
Die Netznachbildung (LISN) liefert eine gewichtete Kombination aus DM- und CM-Störungen, sodass selbst ohne vorhandene CM-Störungen die Hälfte der Amplitude der DM-Störungen sichtbar ist. Daher ist eine Dämpfung beider Störarten erforderlich, um die Grenzwerte des Standards CISPR 32 und der abgeleiteten Norm EN 55032 einzuhalten.
Eingangsfilter und Störungsreduzierung bei DC/DC-Wandler
Der Standard EN IEC 61204-3:2018 „Niederspannungs-Schaltnetzteile – Teil 3: Elektromagnetische Verträglichkeit“ definiert auch die Störgrößen von DC/DC-Wandlern, obwohl diese üblicherweise in Systeme integriert sind, die insgesamt den EMV-Vorgaben entsprechen müssen. Hersteller von DC/DC-Wandlern für die Platinenmontage integrieren mindestens einen parallelen Eingangskondensator, sodass die verbleibenden Störungen häufig akzeptabel sind. In manchen Anwendungen sind jedoch geringere Störgrößen erforderlich. In solchen Fällen empfiehlt der Hersteller in der Regel ein zusätzliches externes LC-Filter zur Reduktion von DM-Störungen, wie L und C1 in Abbildung 3.
Es mag verlockend erscheinen, Filterelemente mit hohen Werten zu verwenden, in der Annahme, dies würde die Störemissionen minimieren. In einigen Fällen kann dies jedoch kontraproduktiv sein. Eine hohe Induktivität kann zu magnetischer Sättigung führen, und eine niedrige Selbstresonanz kann Ringing und mögliche Überspannungen am DC/DC-Eingang verursachen. Solche Effekte können das gemessene Frequenzspektrum sogar verschlechtern. Abbildung 4 zeigt die Störungen eines Beispielwandlers: einmal ohne Filter, dann mit L und C1, und schließlich mit zusätzlichem C2, was zu erhöhten Spitzen im Spektrum führt.
Es mag verlockend erscheinen, Filterelemente mit hohen Werten zu verwenden, in der Annahme, dies würde die Störemissionen minimieren. In einigen Fällen kann dies jedoch kontraproduktiv sein. Eine hohe Induktivität kann zu magnetischer Sättigung führen, und eine niedrige Selbstresonanz kann Ringing und mögliche Überspannungen am DC/DC-Eingang verursachen. Solche Effekte können das gemessene Frequenzspektrum sogar verschlechtern. Abbildung 4 zeigt die Störungen eines Beispielwandlers: einmal ohne Filter, dann mit L und C1, und schließlich mit zusätzlichem C2, was zu erhöhten Spitzen im Spektrum führt.
Abb. 4: Zusätzliche Filterelemente können EMV tatsächlich verschlechtern
Ein weiteres mögliches Problem ist die Instabilität des Regelkreises eines Wandlers. Diese kann auftreten, wenn die Ausgangsimpedanz des Filters bei seiner Resonanzfrequenz der Eingangsimpedanz des DC/DC-Wandlers zu nahe kommt. Middlebrook [2] untersuchte diesen Effekt und kam zu dem Schluss, dass die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters kleiner sein muss als die Eingangsimpedanz des Wandlers. Dies lässt sich durch einen zusätzlichen Dämpfungskreis aus R und C5 gemäß Abbildung 3 erreichen. C5 sollte deutlich größer als 5×C2 sein (C2 kann intern im DC/DC-Wandler vorhanden sein), und R ergibt sich zu √(L/C2). Alternativ kann auch ein verlustbehafteter Elektrolytkondensator eingesetzt werden, dessen Kapazität und ESR jedoch gewissen Toleranzen unterliegen.
CM-Störungen sind bei DC/DC-Wandlern häufig unkritisch, da sowohl Eingang als auch Ausgang geerdet sein können. Ist der Eingang jedoch erdfrei, können die Kondensatoren C3 und C4 (siehe Abbildung 3) ergänzt werden, um CM-Störungen zu reduzieren. Die zulässige Kapazität ist jedoch begrenzt, wenn der Wandler Teil einer Sicherheitsbarriere gegen hohe Wechselspannungen ist. Die Werte von C3 und C4 bestimmen dann den maximal zulässigen AC-Ableitstrom und müssen als Y-Sicherheitskondensatoren mit geeigneter Bewertung für transiente Überspannungen ausgeführt sein.
In manchen Anwendungen, etwa bei patientennaher Medizintechnik, sind zwei Kondensatoren in Reihe erforderlich, falls einer einen Kurzschluss erleidet.
Eingangsfilter für AC/DC-Wandler und EMV-Konformität
Tatsächlich ist dies bei AC/DC-Wandlern etwas anders. Produkte mit hoher Leistung haben normalerweise einen direkten Anschluss an die Netzspannung. Daher muss der Wandler die EMV-Richtlinie einhalten und hat üblicherweise intern einen Filter implementiert, der für den beabsichtigten Einsatz geeignet ist: Industrie, IT, Medizintechnik, Prüfeinrichtungen usw. Es gibt jedoch einen großen Markt für AC/DC-Wandler für Platinenbestückung, die intern über Leitungen an die Netzspannung angeschlossen sind.
Häufig verfügt der Wandler über einen internen Filter, um gängige EMV-Standards (IEC 55032 Class B) zu erfüllen, wie etwa die RECOM-Baureihe RAC20-K. Teilweise werden auch Produkte angeboten, die nur die weniger strengen Grenzwerte der Class A nach IEC 55032 einhalten. Das spart Kosten und kann ausreichend sein, wenn die Netzspannung im Gesamtsystem bereits gefiltert wurde. Die meisten Hersteller empfehlen externe Filterelemente, um Class B zu erreichen – typischerweise einen X-Kondensator über der Netzleitung und Y-Kondensatoren von beiden Leitungen zur Masse. Die RECOM-Serie RAC03-GA ist ein solches Beispiel.
Damit der Filter wirksam ist, sollten die Komponenten möglichst nahe am Wandler platziert werden. Je nach Anwendung sind zudem weitere Sicherheitsaspekte der jeweiligen Produktnorm bei der Verwendung solcher Filterstrukturen zu beachten.
Das EMV-Verhalten des Gesamtsystems lässt sich nicht direkt aus dem der einzelnen Komponenten ableiten. Auch EMV-konforme AC/DC-Wandler für Platinenbestückung gewährleisten in Kombination mit anderen konformen Komponenten nicht automatisch die Systemkonformität. Hersteller wie RECOM bieten daher neben ihrem umfangreichen Stromversorgungsportfolio auch die Nutzung eigener EMV-Prüfeinrichtungen an, um Kunden bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen zu unterstützen.
Häufig verfügt der Wandler über einen internen Filter, um gängige EMV-Standards (IEC 55032 Class B) zu erfüllen, wie etwa die RECOM-Baureihe RAC20-K. Teilweise werden auch Produkte angeboten, die nur die weniger strengen Grenzwerte der Class A nach IEC 55032 einhalten. Das spart Kosten und kann ausreichend sein, wenn die Netzspannung im Gesamtsystem bereits gefiltert wurde. Die meisten Hersteller empfehlen externe Filterelemente, um Class B zu erreichen – typischerweise einen X-Kondensator über der Netzleitung und Y-Kondensatoren von beiden Leitungen zur Masse. Die RECOM-Serie RAC03-GA ist ein solches Beispiel.
Damit der Filter wirksam ist, sollten die Komponenten möglichst nahe am Wandler platziert werden. Je nach Anwendung sind zudem weitere Sicherheitsaspekte der jeweiligen Produktnorm bei der Verwendung solcher Filterstrukturen zu beachten.
Das EMV-Verhalten des Gesamtsystems lässt sich nicht direkt aus dem der einzelnen Komponenten ableiten. Auch EMV-konforme AC/DC-Wandler für Platinenbestückung gewährleisten in Kombination mit anderen konformen Komponenten nicht automatisch die Systemkonformität. Hersteller wie RECOM bieten daher neben ihrem umfangreichen Stromversorgungsportfolio auch die Nutzung eigener EMV-Prüfeinrichtungen an, um Kunden bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen zu unterstützen.
Referenzen
[1] http://www.smps.us/Unitrode.html
[2] Middlebrook, R. D., Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators, Proceedings of PowerCon 5, the Fifth National Solid-State Power Conversion Conference, May 4-6, 1978, San Francisco, CA
[2] Middlebrook, R. D., Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators, Proceedings of PowerCon 5, the Fifth National Solid-State Power Conversion Conference, May 4-6, 1978, San Francisco, CA
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