EMV Schwerpunkt (EMV Schwerpunkt – Stromversorgungen)
20.03.2019
Bei der Verwendung von Schaltnetzteilen können elektromagnetische Störungen schnell zu einem Problem werden. Dies gilt sowohl für die Verwendung von AC-DC-als auch DC-DC-Wandler. Moderne Designs können bezüglich Leistungsperformance zwar optimiert sein, für Emissions- und Immunitätsprüfungen müssen jedoch manchmal externe Komponenten vorgesehen werden, welche auch die Leistungsmerkmale möglichst nicht beeinflussen. In einigen Fällen ist eine zusätzliche Filterung erforderlich, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Fehlerhaft konstruierte Filter können jedoch elektromagnetische Störungen auch verschlimmern. Dieser Artikel gibt einige Richtlinien für das Erreichen bester elektromagnetischer Performance bei AC-DC-und DC-DC-Wandlern einschließlich der Verwendung externer Filter.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Geräten ist ein Begriff, der leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen, Störanfälligkeit gegenüber leitungsgebundenen Störungen und abgestrahlten Feldern sowie die Immunität gegenüber transienten Störern wie der elektrostatischen Entladungen (ESD) umfasst. Die Verzerrung des Versorgungsnetzes durch AC-DC-Wandler gehört ebenfalls dazu. In Europa verfügt die EMV-Richtlinie2014/30/EU, dass Endgeräte die harmonisierten Standards erfüllen müssen. In diesem Artikel betrachten wir leitungsgebundene Störungen von getakteten AC-DC-und DC-DC-Wandlern und wie die Performance, welche durch Filterelemente beeinflusst werden kann.
Hoher Wirkungsgrad kann zu hohen Störpegeln führen
Ingenieure kennen die Vorteile von Schaltwandlern – hoher Wirkungsgrad bei geringer Abmessung und geringem Gewicht. Jedoch werden sich auch viele von ihnen bereits mit den dadurch erzeugten elektromagnetischen Störungen abgemüht haben. Moderne Wandlerdesigns werden mit besseren Komponenten sowie durch weiterentwickelte Topologien optimiert, wie etwa resonante Ausführungen, die von Natur aus störungsärmer sind. Techniken wie ‘Frequenz-Dithering’ helfen zudem bei der Verringerung der Störungsenergie in einer gegebenen Messbandbreite. Ursprung der Störungen ist das schnelle Schalten der Halbleiter, wobei die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der geschalteten Spannung im Bereich von Nanosekunden liegen sollte. Die hohen Werte von du/dt und di/dt können allerdings nicht komplett im Wandler gehalten werden und zeigen sich als Spannungs- oder Stromspitzen, welche sich entlang von Eingangs- oder Ausgangsleitungen als hochfrequente Störungen ausbreiten. Aus der Fourier-Analyse ist ein Spektrum der Störungen von einer generischen geschalteten Spannung in Abbildung 1 gezeigt. Sie veranschaulicht, dass mit abnehmenden Anstiegs-/Abfallzeiten Tr, Tf die Bandbreite der Störungen zunimmt, wobei die Gesamtamplitude vom Tastverhältnis der Wellenform Ton/Tp beeinflusst ist[1].
Abbildung1: Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung
Störungs-Komponenten
Es gibt zwei Arten leitungsgebundener Störungen, Differential Mode (DM) und Common Mode (CM), die normalerweise in gewissem Maße gleichzeitig auftreten. DM-Störungen werden als eine Spannung zwischen einer Leitung und ihrer Rückleitung gemessen. CM-Störungen werden zwischen den beiden Leitungen und dem Bezugspotential über eine definierte Impedanz gemessen. Spannungswandler tendieren bei hohen Frequenzen dazu, als eine Stromquelle für CM-Störungen zu wirken. Abbildung 2 zeigt beide Arten schematisch.
Abbildung2: Arten von möglichen Störungen
DM-Störungen lassen sich leicht mit einem Oszilloskope oder Analysator messen, aber CM-Störungen erfordern die Verwendung eines standardisieren Netzabschluss, einer Netznachbildung (LISN). Diese hat eine definierte Abschluss-Impedanz und das nötige Filter, um alle Effekte aus der vorgelagerten Stromquelle abzublocken. 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 ergibt eine gewichtete Kombination der DM-und CM-Störungen, so dass sogar ohne CM-Störungen die Hälfte der Amplitude der DM-Störungen zu sehen ist. Daher ist eine Dämpfung von sowohl DM-als auch CM-Störungen notwendig, um beispielsweise die Grenzwerte des Standards CISPR 32 und seiner Ableitung EN 55032 einzuhalten.
Eingangsfilter für DC-DC-Wandler
In dem Standard EN IEC 61204-3:2018 ‘Niederspannungs-Schaltnetzteile - Teil 3: elektromagnetische Verträglichkeit’ werden auch die Störgrößen von DC-DC-Wandlern definiert, obgleich sie normalerweise in Systemen integriert sind, die insgesamt die EMV-Vorschriften einhalten müssen. Hersteller von DC-DC-Wandlern für Platinenbestückung integrieren zumindest einen parallelen Eingangs-Kondensator, so dass die verbleibenden Störungen häufig vollkommen akzeptabel sind. Gelegentlich werden geringere Störgrößen in der Anwendung benötigt. Dann empfiehlt der Hersteller normalerweise ein zusätzliches externes LC-Filter zur Verringerung von DM-Störungen, L und C1 in Abbildung 3.
Abbildung3: Filterelemente rund um einen DC-DC-Wandler
Es mag verlockend sein, Filterelemente mit hohen Werten hinzuzufügen, in der Annahme, dies führt zu den geringsten Störemissionen. Jedoch kann das in manchen Fällen kontraproduktiv sein. Magnetische Sättigung mit hoher Induktivität kann ein Problem darstellen und eine zu geringe Selbstresonanz kann zu Ringing und möglichen Überspannungen am DC-DC-Eingang führen. Dieser Effekt kann das gemessene Frequenzspektrum sogar verschlechtern. Abbildung 4 zeigt die Störungen eines Beispiel-Wandlers ohne Filter, nur mit L und C1 eingebaut und dann mit zusätzlichem C2, was zu höheren Spitzen im Spektrum führt.
Abbildung 4: Zusätzliche Filterelemente können EMV tatsächlich verschlechtern
Ein weiteres mögliches Problem ist in manchen Fällen die Instabilität des Regelkreises eines Wandlers. Das passiert, wenn die Ausgangsimpedanz des Filters bei seiner Resonanzfrequenz nahe der Eingangsimpedanz des DC-DC-Wandlers ist. Middlebrook[2] untersuchte den Effekt und schlussfolgerte, dass die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters kleiner als die Eingangsimpedanz des Wandlers sein muss. Das lässt sich durch einen zusätzlichen Dämpfungskreis R und C5 gemäß Abbildung 3 erreichen. C5 ist>>5 x C2, der intern im DC-DC-Wandler sein kann, und R ist = SQRT(L/C2). Alternativ hat ein verlustbehafteter Elektrolytkondensator einen ähnlichen Effekt, jedoch unterliegen seine tatsächliche Kapazität und der ESR dementsprechenden Toleranzen.
CM-Störungen sind häufig kein Problem bei DC-DC-Wandlern, weil sowohl Eingang als auch Ausgang geerdet sein können. Falls der Eingang erdfrei ist, können die Kondensatoren C3 und C4 (Abbildung 3) ergänzt werden, um CM-Störungen zu verringern. Für die zulässige Kapazität, kann es jedoch eine Grenze, falls der Wandler einen Teil einer Sicherheitsbarriere gegen hohe Wechselspannung bildet. Die Werte von C3 und C4 bestimmen dann den maximalen AC-Ableitstrom und müssen ‘Y’ Sicherheitstypen mit der richtigen Einstufung für die transiente Überspannung sein. In manchen Anwendungen können zwei Kondensatoren in Reihe nötig sein, etwa bei am Patienten angeschlossener Medizintechnik, für den Fall, dass einer der Kondensatoren einen Kurzschluss hat.
Eingangsfilter für AC-DC-Wandler
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 aufgrund unterschiedlicher Aspekte einhalten und hat üblicherweise intern ein Filter implementiert, das 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 hat der Wandler ein internes Filter, um die gängigsten EMV-Standards (IEC 55032 Class B) einzuhalten, wie etwa die RECOM-Baureihe RAC20-K. Zudem werden auch manchmal Produkte angeboten, welchen die weniger strengen Grenzwerte der Class A nach IEC 55032 einhalten. Das spart Kosten und kann in vielen Fällen ausreichend sein, vor allem wenn der Wandler von einer Netzspannung versorgt wird, die zuvor im Gesamtsystem bereits gefiltert wurde. Die meisten Hersteller werden externe Filterelemente vorschlagen, womit diese Geräte auch die Grenzwerte nach IEC 55032 Class B einhalten können. In vielen Fällen wird dieser Vorschlag einen ‘X’ eingestuften Kondensator über der Netzspannung und ‘Y’ Kondensatoren von beiden Netzleitungen zur Masse beinhalten. Die RECOM-Serie RAC03-GA ist ein solches Beispiel. Damit das Filter wirksam sein kann, sollten die Komponenten sehr nahe am Wandler platziert werden. Je nach Anwendung sind noch weitere Sicherheitsaspekte der jeweiligen Produktnorm bei der Verwendung derartiger Filterstrukturen zu berücksichtigen.
Das EMV-Verhalten des Gesamtsystems lässt sich nicht einfach aus dem der einzelnen Komponenten vorhersagen, so dass auch EMV-konforme AC-DC-Wandler für Platinenbestückung kombiniert mit anderen EMV-konformen Komponenten, beispielsweise nicht garantieren können, dass ein Gesamtsystem konform ist. Hersteller wie RECOM[3] bieten jedoch zusammen mit ihrer breiten Palette an Stromversorgungsprodukten für Systeme und Platinenbestückung auch die Nutzung ihrer hauseigenen EMV-Prüfeinrichtungen an, um ihre Kunden bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen zu unterstützen.
Literaturverweise
[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
[3] www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
Hoher Wirkungsgrad kann zu hohen Störpegeln führen
Ingenieure kennen die Vorteile von Schaltwandlern – hoher Wirkungsgrad bei geringer Abmessung und geringem Gewicht. Jedoch werden sich auch viele von ihnen bereits mit den dadurch erzeugten elektromagnetischen Störungen abgemüht haben. Moderne Wandlerdesigns werden mit besseren Komponenten sowie durch weiterentwickelte Topologien optimiert, wie etwa resonante Ausführungen, die von Natur aus störungsärmer sind. Techniken wie ‘Frequenz-Dithering’ helfen zudem bei der Verringerung der Störungsenergie in einer gegebenen Messbandbreite. Ursprung der Störungen ist das schnelle Schalten der Halbleiter, wobei die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der geschalteten Spannung im Bereich von Nanosekunden liegen sollte. Die hohen Werte von du/dt und di/dt können allerdings nicht komplett im Wandler gehalten werden und zeigen sich als Spannungs- oder Stromspitzen, welche sich entlang von Eingangs- oder Ausgangsleitungen als hochfrequente Störungen ausbreiten. Aus der Fourier-Analyse ist ein Spektrum der Störungen von einer generischen geschalteten Spannung in Abbildung 1 gezeigt. Sie veranschaulicht, dass mit abnehmenden Anstiegs-/Abfallzeiten Tr, Tf die Bandbreite der Störungen zunimmt, wobei die Gesamtamplitude vom Tastverhältnis der Wellenform Ton/Tp beeinflusst ist[1].
Abbildung1: Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung
Störungs-Komponenten
Es gibt zwei Arten leitungsgebundener Störungen, Differential Mode (DM) und Common Mode (CM), die normalerweise in gewissem Maße gleichzeitig auftreten. DM-Störungen werden als eine Spannung zwischen einer Leitung und ihrer Rückleitung gemessen. CM-Störungen werden zwischen den beiden Leitungen und dem Bezugspotential über eine definierte Impedanz gemessen. Spannungswandler tendieren bei hohen Frequenzen dazu, als eine Stromquelle für CM-Störungen zu wirken. Abbildung 2 zeigt beide Arten schematisch.
Abbildung2: Arten von möglichen Störungen
DM-Störungen lassen sich leicht mit einem Oszilloskope oder Analysator messen, aber CM-Störungen erfordern die Verwendung eines standardisieren Netzabschluss, einer Netznachbildung (LISN). Diese hat eine definierte Abschluss-Impedanz und das nötige Filter, um alle Effekte aus der vorgelagerten Stromquelle abzublocken. 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 ergibt eine gewichtete Kombination der DM-und CM-Störungen, so dass sogar ohne CM-Störungen die Hälfte der Amplitude der DM-Störungen zu sehen ist. Daher ist eine Dämpfung von sowohl DM-als auch CM-Störungen notwendig, um beispielsweise die Grenzwerte des Standards CISPR 32 und seiner Ableitung EN 55032 einzuhalten.
Eingangsfilter für DC-DC-Wandler
In dem Standard EN IEC 61204-3:2018 ‘Niederspannungs-Schaltnetzteile - Teil 3: elektromagnetische Verträglichkeit’ werden auch die Störgrößen von DC-DC-Wandlern definiert, obgleich sie normalerweise in Systemen integriert sind, die insgesamt die EMV-Vorschriften einhalten müssen. Hersteller von DC-DC-Wandlern für Platinenbestückung integrieren zumindest einen parallelen Eingangs-Kondensator, so dass die verbleibenden Störungen häufig vollkommen akzeptabel sind. Gelegentlich werden geringere Störgrößen in der Anwendung benötigt. Dann empfiehlt der Hersteller normalerweise ein zusätzliches externes LC-Filter zur Verringerung von DM-Störungen, L und C1 in Abbildung 3.
Abbildung3: Filterelemente rund um einen DC-DC-Wandler
Es mag verlockend sein, Filterelemente mit hohen Werten hinzuzufügen, in der Annahme, dies führt zu den geringsten Störemissionen. Jedoch kann das in manchen Fällen kontraproduktiv sein. Magnetische Sättigung mit hoher Induktivität kann ein Problem darstellen und eine zu geringe Selbstresonanz kann zu Ringing und möglichen Überspannungen am DC-DC-Eingang führen. Dieser Effekt kann das gemessene Frequenzspektrum sogar verschlechtern. Abbildung 4 zeigt die Störungen eines Beispiel-Wandlers ohne Filter, nur mit L und C1 eingebaut und dann mit zusätzlichem C2, was zu höheren Spitzen im Spektrum führt.
Abbildung 4: Zusätzliche Filterelemente können EMV tatsächlich verschlechtern
Ein weiteres mögliches Problem ist in manchen Fällen die Instabilität des Regelkreises eines Wandlers. Das passiert, wenn die Ausgangsimpedanz des Filters bei seiner Resonanzfrequenz nahe der Eingangsimpedanz des DC-DC-Wandlers ist. Middlebrook[2] untersuchte den Effekt und schlussfolgerte, dass die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters kleiner als die Eingangsimpedanz des Wandlers sein muss. Das lässt sich durch einen zusätzlichen Dämpfungskreis R und C5 gemäß Abbildung 3 erreichen. C5 ist>>5 x C2, der intern im DC-DC-Wandler sein kann, und R ist = SQRT(L/C2). Alternativ hat ein verlustbehafteter Elektrolytkondensator einen ähnlichen Effekt, jedoch unterliegen seine tatsächliche Kapazität und der ESR dementsprechenden Toleranzen.
CM-Störungen sind häufig kein Problem bei DC-DC-Wandlern, weil sowohl Eingang als auch Ausgang geerdet sein können. Falls der Eingang erdfrei ist, können die Kondensatoren C3 und C4 (Abbildung 3) ergänzt werden, um CM-Störungen zu verringern. Für die zulässige Kapazität, kann es jedoch eine Grenze, falls der Wandler einen Teil einer Sicherheitsbarriere gegen hohe Wechselspannung bildet. Die Werte von C3 und C4 bestimmen dann den maximalen AC-Ableitstrom und müssen ‘Y’ Sicherheitstypen mit der richtigen Einstufung für die transiente Überspannung sein. In manchen Anwendungen können zwei Kondensatoren in Reihe nötig sein, etwa bei am Patienten angeschlossener Medizintechnik, für den Fall, dass einer der Kondensatoren einen Kurzschluss hat.
Eingangsfilter für AC-DC-Wandler
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 aufgrund unterschiedlicher Aspekte einhalten und hat üblicherweise intern ein Filter implementiert, das 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 hat der Wandler ein internes Filter, um die gängigsten EMV-Standards (IEC 55032 Class B) einzuhalten, wie etwa die RECOM-Baureihe RAC20-K. Zudem werden auch manchmal Produkte angeboten, welchen die weniger strengen Grenzwerte der Class A nach IEC 55032 einhalten. Das spart Kosten und kann in vielen Fällen ausreichend sein, vor allem wenn der Wandler von einer Netzspannung versorgt wird, die zuvor im Gesamtsystem bereits gefiltert wurde. Die meisten Hersteller werden externe Filterelemente vorschlagen, womit diese Geräte auch die Grenzwerte nach IEC 55032 Class B einhalten können. In vielen Fällen wird dieser Vorschlag einen ‘X’ eingestuften Kondensator über der Netzspannung und ‘Y’ Kondensatoren von beiden Netzleitungen zur Masse beinhalten. Die RECOM-Serie RAC03-GA ist ein solches Beispiel. Damit das Filter wirksam sein kann, sollten die Komponenten sehr nahe am Wandler platziert werden. Je nach Anwendung sind noch weitere Sicherheitsaspekte der jeweiligen Produktnorm bei der Verwendung derartiger Filterstrukturen zu berücksichtigen.
Das EMV-Verhalten des Gesamtsystems lässt sich nicht einfach aus dem der einzelnen Komponenten vorhersagen, so dass auch EMV-konforme AC-DC-Wandler für Platinenbestückung kombiniert mit anderen EMV-konformen Komponenten, beispielsweise nicht garantieren können, dass ein Gesamtsystem konform ist. Hersteller wie RECOM[3] bieten jedoch zusammen mit ihrer breiten Palette an Stromversorgungsprodukten für Systeme und Platinenbestückung auch die Nutzung ihrer hauseigenen EMV-Prüfeinrichtungen an, um ihre Kunden bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen zu unterstützen.
Literaturverweise
[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
[3] www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
Anwendungen
