Stromversorgung erfüllt EMV

Wir geben eine kurze Einführung in grundlegendes EMV-Wissen und welche EMV-Überlegungen bei der Entwicklung von Netzteilen entscheidend sind.

1. Einleitung

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.

2. Grundsätze

Jedes elektrische Gerät sendet und empfängt elektromagnetische Störungen. Daher ist normalerweise jedes Gerät sowohl Quelle als auch Senke, wie in Abbildung 1 dargestellt. Aufgrund der Leistung dieser Geräte sind jedoch einige von ihnen eher eine bedeutende Quelle und andere eher eine Senke. Ein Herzschrittmacher zum Beispiel ist eher eine Störungssenke als eine Quelle.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Störungen auszusenden oder zu empfangen. Der erste Weg führt durch den freien Raum; es ist kein Medium erforderlich. Mobiltelefone nutzen dieses Phänomen für ihren Betrieb. Sie senden verschlüsselte elektromagnetische Wellen aus und empfangen und entschlüsseln elektromagnetische Wellen, um Informationen zu senden und zu empfangen. Aber nicht nur elektromagnetische Wellen nehmen diesen Weg, auch elektrische und magnetische Felder können sich ausbreiten und in ein Gerät einkoppeln.

Der zweite Weg, den eine Störung nehmen kann, ist über einen Draht, ein Metallblech oder grundsätzlich alles, was leitfähig ist. Genau wie bei gestrahlten Emissionen können mehrere Arten von Störungen auftreten.


Abb. 1: Grundsätze
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.

3. EMV-Richtlinie

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.

4. Typische EMV-Tests

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.

Geleitete Emission

Die Messung der Störspannung im unteren Frequenzbereich zwischen 9 kHz und 30 MHz in den Leitungen, die zum oder vom Gerät führen, wird als leitungsgebundene Emission bezeichnet. Zweck dieser Messung ist es, Störungen zwischen den Geräten zu vermeiden, die über Kabel oder an dieselbe Hauptstromleitung angeschlossen sind. Wenn das geprüfte Gerät unter dem Grenzwert bleibt, wird es wahrscheinlich keine Störungen bei anderen Geräten verursachen.

Abgestrahlte Emission

Die Messung eines störenden elektrischen Feldes von über 30 MHz wird als gestrahlte Emission bezeichnet. Ähnlich wie bei der Messung der leitungsgebundenen Emissionen wird auch diese Messung in der Regel nach der Norm Nr. 16 des Comité international spécial des perturbations radioélectriques (CISPR). Die Grenzwerte werden auf der Grundlage der jeweiligen CISPR-Norm festgelegt. - So gilt beispielsweise CISPR 11 für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Geräte, während CISPR 14 auf Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge anwendbar sind.

Mit dieser Messung wird festgestellt, ob die von dem geprüften Gerät ausgesandten elektromagnetischen Wellen wahrscheinlich andere elektrische Geräte in der Nähe stören werden.

ESD

Eine andere Art der kritischen Prüfung betrifft Transienten, z.B. ESD. Bei der ESD-Prüfung wird ein Impuls mit einer bestimmten Form an leitende Teile des Geräts, leitende Metallteile in der Nähe mit einem bestimmten Abstand und Aufbau oder nicht leitende, aber berührbare Teile des Geräts angelegt. Diese Impulse verursachen in der Regel über einen sehr kurzen Zeitraum Felder und hohe Ströme in den Systemen, die zu einer Unterbrechung, einem Herunterfahren, einem Reset oder einem anderen unerwünschten Verhalten führen können. Daher sollte das Gerät so konzipiert sein, dass es gegen diese elektromagnetischen Phänomene robust ist. Je nach der typischen Umgebung, in der das Gerät eingesetzt wird, gelten unterschiedliche Prüfniveaus, sofern in einer bestimmten Norm nicht anders angegeben.

Ein ESD-Impuls ist ziemlich stark (bis zu +/-15kV) und sehr schnell (ns-Bereich). Aufgrund des sehr schnellen Impulses, der direkt und indirekt auf das Gerät einwirkt, stellt dieser Test einen der kritischsten EMV-Tests dar.

Überspannung

Bei der Überspannungsprüfung wird ein Impuls mit einer bestimmten Form über galvanische Kopplung auf die Leitungen des geprüften Geräts aufgebracht. Ziel ist es, die Robustheit des Geräts gegen indirekte Blitzeinschläge zu testen. Sofern nicht anders angegeben, müssen die Prüfpegel entsprechend der Umgebung, in der das Gerät eingesetzt wird, angewendet werden. Der Impuls des Surge-Tests ist nicht sehr hoch (bis zu +/-4kV) und sehr langsam (im µs-Bereich), was zu einer hohen Menge an abgeleiteter Energie führt. Diese hohe Energie ist der kritische Teil dieses Tests, der leicht zu einem beschädigten Gerät führt.

Burst-Test

Der Burst-Test hat eine Eigenschaft der Surge- und ESD-Tests. Der Impuls selbst ist sehr schnell (ns-Bereich) wie der ESD-Impuls, aber viel niedriger (maximal etwa +/-4kV) wie der Stoßimpuls. Allerdings wird dieser Impuls über einen festen Zeitraum in einem bestimmten Intervall wiederholt.

Der Burst-Test simuliert die Bürstenzündung eines Motors. Obwohl der Impuls mit einer Anstiegszeit in ns schnell ist, muss das Gerät den Strom nicht direkt ableiten, da die Kopplung kapazitiv ist; dies ist der am wenigsten Schädliche der Transienten-Tests.

Oberschwingungen

Die Oberschwingungsprüfung ist eine der wichtigsten Prüfungen, die wir als Stromversorgungsunternehmen zu bewältigen haben. Diese Messung zeigt an, ob es eine harmonische Verzerrung gibt, die der Grundfrequenz von 50Hz überlagert ist.

Flicker

Ein Gerät, das für kurze Zeit sehr viel Energie verbraucht, kann Spannungseinbrüche verursachen, die bei anderen Geräten, die an dieselbe Hauptstromleitung angeschlossen sind, zu Problemen führen können. Wenn dies zu oft oder zu intensiv geschieht oder der Einfluss zu groß ist, besteht das Gerät den Flimmertest nicht. Daher kann dieser Test für Geräte, die in kurzen Intervallen hohe Energie schalten, kritisch sein. Der Wert für das Bestehen oder Nichtbestehen des Tests wurde empirisch ermittelt und ist abhängig von der Größe des Spannungsabfalls und der Häufigkeit des Ereignisses. Der durch das Gerät verursachte Spannungsabfall darf viele Male pro Sekunde auftreten, wenn der Abfall gering ist, und wenn die Größe des Abfalls groß ist, darf er nur mit einer sehr geringen Häufigkeit auftreten.

E-Feld-Immunität

Die Prüfung der Störfestigkeit gegenüber elektrischen Feldern ist eine Ergänzung zur Prüfung der Störaussendung. Hier wird geprüft, ob das Gerät immun gegen externe elektrische Felder ist, die von anderen elektrischen Geräten erzeugt werden können. Der Test wird normalerweise in einem Frequenzbereich von 80MHz bis zu mehreren GHz, abhängig von der geltenden Norm, durchgeführt. Das angelegte Feld ist ein amplitudenmoduliertes Signal mit 80% Modulation bei 1kHz.

HF-induzierte Störungen

Dabei werden hochfrequente Störungen in die an das Gerät angeschlossenen Leitungen induziert. Zweck dieser Prüfung ist es, die Robustheit des Geräts gegenüber externen Störungen zu analysieren, die von anderen Geräten verursacht werden, die an dasselbe elektrische System wie das Gerät angeschlossen sind. Die Prüfung der HF-induzierten Störungen wird häufig als wichtige Ergänzung zu den Prüfungen der leitungsgebundenen Emissionen angesehen.

Spannungseinbrüche, -schwankungen und -unterbrechungen

Bei dieser Prüfung wird ermittelt, wie sich ein elektrisches Gerät verhält, wenn sich die Spannung der Hauptstromversorgung ändert. Es gibt drei verschiedene Teile dieser Prüfung, die jeweils verschiedene Arten von Spannungsschwankungen beinhalten.

Die Reaktionskriterien, die festlegen, wie sich das Gerät bei Spannungsschwankungen verhalten soll, müssen ausgewählt werden. Je nach Anwendung des Geräts kann es z.B. erlaubt sein, dass sich das Gerät bei einer Spannungsschwankung abschaltet. Oder es kann gefordert werden, dass das Gerät trotz Spannungsschwankungen betriebsbereit bleibt.

Spannungseinbrüche werden angewendet, um den Einfluss eines plötzlichen Spannungsabfalls auf das Gerät zu prüfen.

Magnetisches Leistungsfeld

Die Magnetfeldprüfung simuliert ein homogenes Magnetfeld mit der Frequenz der Hauptstromversorgung von 50Hz/60Hz. In einem Magnetfeld, das typischerweise von einer Helmholtz-Spule erzeugt wird, muss das Gerät ordnungsgemäß funktionieren. Geräte wie z.B. Kathodenröhrenmonitore wurden durch diesen Test stark beeinträchtigt.

5. Arten der Kopplung

Die folgende Abbildung zeigt ein Modell, bei dem Rk, Ck und Zk parasitäre Elemente darstellen, die für die Kopplung in einer Schaltung verantwortlich sind. Galvanische Kopplung wird durch den Widerstand Rk abgebildet. Parasitäre kapazitive Kopplung wird durch die parasitäre Kapazität Ck dargestellt. Parasitäre induktive Kopplung wird durch die parasitären Elemente Zk dargestellt.

Der einzige Kopplungsmechanismus, der in Abbildung 2 nicht dargestellt ist, ist die Luftkopplung, da sie nicht durch parasitäre Elemente skizziert werden kann.


Abb. 2: Mechanismus der Kopplung

Galvanische Kopplung

Abbildung 3 zeigt einen Schaltkreiszweig mit einem zusätzlichen Störsignal, das durch einen Widerstandswert dargestellt wird. Der verrauschte Strom in der Schaltung erzeugt eine verrauschte Spannung auf der parasitären Widerstandsbahn, die die Spannung an der ohmschen Last beeinflusst. In diesem Fall kann aus einer idealen Quelle eine verrauschte Quelle werden, weil auf einem gemeinsamen Zweig Rauschen hinzugefügt wird.



Maßnahmen zur Reduzierung von Kopplungsstörungen


Abb. 3: Galvanische Kopplung
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.

Kapazitive Kopplung

Das parasitäre Element Ck in Abbildung 4 befindet sich in Schaltkreisen zwischen benachbarten Drähten in Parallelschaltung. Über diese Kapazität, die in der Regel sehr gering ist, können HF-Signale in andere Komponenten einkoppeln und problematisch werden.



Maßnahmen


Abb. 4: Kapazitive Kopplung
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.

Induktive Kopplung

Stromführende Drähte können durch Magnetfelder induktiv gekoppelt werden. Diese Felder können in nahe gelegene Metallteile einkoppeln (bei denen es sich um empfindliche Leiterbahnen handeln könnte) und den Strom induzieren.



Maßnahmen


Abb. 5: Induktive Kopplung
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.

Luftgestützte Kopplung

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.

6. Schutzelemente

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 ...

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