Stromversorgung erfüllt EMV

Der Hauptzweck dieses Dokuments besteht darin, eine kurze Einführung in das Grundwissen über die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV zu geben und dieses Wissen mit dem Thema Stromversorgung zu verbinden. Der erste Teil befasst sich mit den Grundlagen sowie der Definition des Themas EMV. Zusätzlich werden die wichtigsten Prüfverfahren, die weit über die gestrahlte und leitungsgebundene Störaussendung hinausgehen, zum Thema EMV aufgeführt und erläutert. Somit soll dieser Teil ein Bewusstsein für die große Vielfalt der EMV-Prüfverfahren schaffen.

Der zweite Teil erläutert die Kopplungsmechanismen, die in der Regel in jeder EMV-Präsentation enthalten sind. Die Informationen in diesem Abschnitt können auf alle EMV-Themen angewendet werden.

Wenn man über Stromversorgungen und EMV spricht, kommt man nicht umhin, Schutzvorrichtungen zu erwähnen, die gegen transiente Störungen wirken. Deswegen werden im dritten Teil diese Schutzvorrichtungen vorgestellt und bei ihrer Platzierung besonders berücksichtigt. Der vierte Teil befasst sich mit den EMV-gerechten Ausführungen von drei verschiedenen DC/DC-Wandlern. Durch die Erläuterung der einzelnen Maßnahmen kann eine Verbindung zum zweiten Teil hergestellt werden.

Der letzte Teil dieses Dokuments enthält Informationen aus unserer langjährigen Erfahrung, wie man die Störquelle findet und wie man mit dem Entwurf beginnt, ohne die EMV zu vernachlässigen. Er enthält daher nicht nur Informationen darüber, wie man mit einem fehlerhaften Entwurf umgeht, sondern auch darüber, was vor dem Beginn des Entwurfs zu tun ist, um einen erfolgreichen Erstentwurf zu archivieren.

Neben den frequenzabhängigen Störungen prüfen wir (z. B. nach EN 55022) auch transiente Störungen wie Überspannungen, Bursts und elektrostatische Entladungen (ESD), die sehr kritisch sein können.

Die Definition von EMV gemäß der aktuellen europäischen EMV-Richtlinie 2014/30/EU besagt, dass ein Gerät in der Lage sein muss, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne unzulässige elektromagnetische Störungen in andere Geräte in seiner Umgebung einzubringen oder durch die von ihnen erzeugten elektromagnetischen Interferenzen EMI beeinträchtigt zu werden. Die Richtlinie umfasst sowohl gestrahlte Emissionen und Empfindlichkeit (EM-Felder) als auch leitungsgebundene Emissionen und Empfindlichkeit (Störungen entlang der Kabel). Darüber hinaus schreibt die Richtlinie vor, dass Emissionsprüfungen in dem Modus durchgeführt werden, der wahrscheinlich die meisten Störungen verursacht, und dass Störfestigkeitsprüfungen in einem Modus durchgeführt werden müssen, in dem das Gerät am empfindlichsten auf externe Störungen reagiert.

Wenn man an EMV-Tests oder EMV-Probleme denkt, kommen einem oft gestrahlte oder leitungsgebundene Emissionen in den Sinn; es gibt jedoch noch eine Reihe weiterer Themen, die berücksichtigt werden müssen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass leitungsgebundene und gestrahlte Emissionen die kritischsten Prüfungen sind, mit denen sich Ingenieure auseinandersetzen müssen.

Diese Art der Kopplung kann durch eine Verringerung der Impedanz und damit des gemeinsamen ohmschen Pfades der beiden Stromkreise reduziert werden, da die Auswirkung auf die Spannung an der ohmschen Last direkt proportional zur Impedanz der gemeinsamen Leiterbahn ist.

Wenn der Ort und die Quelle des Rauschens bekannt sind, kann der Rauschstrom reduziert werden. Dies kann erreicht werden, indem das Rauschen direkt an der Quelle reduziert wird, indem ein Filter verwendet wird, sodass das Rauschen auf seinem Weg zur Störsenke reduziert wird, oder indem die Frequenz des Rauschens reduziert wird. Der Einfluss der Impedanz der gemeinsamen Leiterbahn ist direkt proportional zur Frequenz des Rauschens, da die Impedanz ein frequenzabhängiger Wert ist. Die Frequenz in einem System sollte so schnell wie nötig und so langsam wie möglich sein.

Um die Entstehung einer gemeinsamen Leiterbahn zu vermeiden, kann für mehrere Stromkreise eine Sternpunkttopologie verwendet werden, um den verrauschten Teil vom Lastkreis zu trennen. Die Massesysteme werden an einem einzigen Punkt angeschlossen.

Um eine unkontrollierbare Kopplung zu vermeiden, sollten beim Layout sowohl der Rückweg als auch der Vorwärtspfad berücksichtigt werden. Da die Konstruktion in der Regel aus mehreren Vorwärts- und Rückwärtspfaden besteht, sollte jeder einzelne Pfad priorisiert und als aggressive, empfindliche oder indifferente Leiterbahnen eingestuft werden.

Die aggressivste Schleife hat das höchste di/dt, d.h. sie müsste so klein wie möglich sein und die höchste Priorität unter den aggressiven Spuren haben.

Zur Verringerung der kapazitiven Kopplung können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden:

1. Kurze Leiterbahnen sind eine Gegenmaßnahme gegen die kapazitive Kopplung, da die Länge der Leiterbahn direkt proportional zur Kopplung der leitenden Teile ist. Parallel geführte Leiterbahnen über große Entfernungen sind anfälliger für kapazitive Kopplung, die z.B. bei einer analogen Messleitung, die parallel zu einer Hahnleitung verläuft, problematisch werden kann.
2. Zusätzliche Kondensatoren sorgen bei hochempfindlichen Signalen für Symmetrie, sodass das Rauschen frühzeitig zurückgekoppelt wird, bevor es zu Störungen führen kann.
3. Die kapazitive Kopplung kann durch Abschirmung mit leitfähigem Material verringert werden.
4. Die kapazitive Kopplung kann auch durch Verringerung der Frequenz verringert werden.
5. Wenn Kabel über große Entfernungen verlegt werden, sind verdrillte Paare (eventuell abgeschirmt) sehr hilfreich, um unerwünschte Kopplungen zu vermeiden.

Zur Verringerung der induktiven Kopplung können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden:

1. Wie bei der kapazitiven Kopplung sollten Leiterbahnen für verschiedene Signale nicht parallel verlegt werden, da parallel geschaltete stromführende Leitungen einander einen Strom induzieren.
2. Große Schleifen in verrauschten Schaltkreisen erzeugen große Magnetfelder, daher sollten die kritischsten Schleifen mit dem höchsten di/dt so klein wie möglich ausgelegt werden. Außerdem sollten hochempfindliche Schleifen ebenfalls klein sein, da Schaltungen mit größeren Schleifen anfälliger für Störungen sind.
3. Um kleine Schleifen zu entwerfen, muss der Konstrukteur immer den Rückweg berücksichtigen.
4. Die Leiterbahnen sind weniger empfindlich gegenüber Frequenzen, wenn die Schleifen (und damit die Impedanzen) klein sind.
5. Je niedriger die Frequenz, desto geringer ist die induktive Kopplung. Ein Entwurf sollte eine Frequenz haben, die so langsam wie möglich und so schnell wie nötig ist.
6. Es gibt auch eine Möglichkeit, Magnetfelder mit nichtleitenden Materialien wie Permalloy und µ-Metall abzuschirmen, wie sie in RFID- und NFC-Anwendungen vorkommen können.
7. Zur Abschirmung von Magnetfeldern können an Steuergeräten Ferritplatten verwendet werden.

Die Messung der Strahlungsemission ist eine Form der luftgestützten Kopplung. Wenn die gemessene Emission sehr hoch ist, besteht ein hohes Maß an Kopplung zwischen dem zu prüfenden Gerät und der Antenne. Da die Antenne nicht verändert werden sollte, kann die Kopplung nur durch Abschirmung des Geräts oder Verringerung des vom Gerät verursachten Rauschpegels geändert werden. Es gibt zwei verschiedene Messarten für die gestrahlte Emission. Normalerweise werden gestrahlte Emissionen in µV/m gemessen, und eine normale Metallabschirmung ist ausreichend; bei Messungen gemäß CISPR 11 Gruppe 2 wird das H-Feld jedoch zusätzlich in µA/m gemessen.

Je nach Größe des zu prüfenden Geräts und der Länge der Kabel ist die Emission in der Regel recht hoch λ/4 der Wellenlänge. In den meisten Fällen fungieren die Kabel als Antenne, während sich die Quelle auf der Platine befindet. Die Emission beginnt bei etwa λ/10 der Wellenlänge.

Die Strahlungsemission kann entweder durch geschirmte Kabel oder eine Filterung vor der Verkabelung reduziert werden. Unabhängig davon sollte jedes ausgehende und eingehende Signal gefiltert werden.

Auch die Strahlungsemission nimmt bei niedrigeren Frequenzen ab, was wiederum die luftgestützte Kopplung zwischen dem Gerät und der Antenne verringert.

Schutzschaltungen sind eines der wichtigsten Teilsysteme für AC/DC-Wandler. Diese Elemente müssen das Gerät vor Überspannungen, Bursts und ESD schützen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Gerät zu schützen:

1. Luftspalte, die einen Großteil der zusätzlichen Energie ableiten können
2. Gasentladungsröhren
3. Varistoren
4. Serienwiderstände
5. MLV (Multilayer Varistor)
6. TVS
7. Filter

Zum Schutz von ICs mit viel kleineren Amplituden ist eine Suppressor- oder Zener-Diode meist die richtige Lösung. All diese Elemente müssen berücksichtigt werden, da jedes Gerät seinen eigenen Spannungs- und Energiebereich hat, in dem einige oder eine Kombination dieser Elemente verwendet werden sollten. Bei Stromversorgungen werden normalerweise zwei oder sogar drei Elemente verwendet, da die Energieimpulse sehr hoch sein können.

Ein Element, das eine höhere Energie umwandeln kann, lässt auch eine höhere Energiemenge durch; die Funken-Luft-Gruppe kann beispielsweise die höchste Energie abbauen, ist aber nicht in der Lage, die Spannung auf ein sicheres Niveau zu reduzieren. Die Gasentladungsröhre kann weniger Energie abbauen, reduziert aber die Spannung auf ein niedrigeres Niveau als die Funkenluftstrecke. Das Gleiche gilt für Varistoren, Dioden usw.

Dies führt zu der in Abbildung 6 dargestellten optimalen Platzierung. Der Strom fließt zunächst ...