Auswahl von Spulen zur Störreduktion von Stromversorgungen
05.02.2019
In diesem Whitepaper werden die Schwankungen der Induktorleistung untersucht.
1. Abstrakt
Sowohl am Ein- als auch am Ausgang von Stromversorgungen werden üblicherweise LC-Filter (Spule & Kondensator) verwendet, um den reflected ripple current und Störungen am Ausgang zu reduzieren, die Limits der Störaussendungen einzuhalten und auch die Störempfindlichkeit zu reduzieren. Auch wenn ein passendes Filterelement gewählt wurde, so muss sichergestellt sein, dass die Performance über den wesentlichen Bereich ausreichend gewährleistet ist. Dies kann von Hersteller zu Hersteller, auch bei gleichen Spezifikationen und ähnlicher Angaben im Datenblatt, erheblich abweichen. Dieses Whitepaper stellt die unterschiedlichen Eigenschaften von Spulen gegenüber.
2. Einführung
Die meisten modernen DC-Leistungswandler sowie alle isolierten DC-Stromversorgungen sind Schaltnetzteile, bei denen externe Gleichspannungen mit hoher Frequenz „zerhackt“ werden, um intern ein Rechteck-Signal für den isolierten Transformator zu generieren. Am Ausgang des Transformators wird dann mit hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten wieder zu Gleichstrom gleichgerichtet. Ein Nachteil der Verwendung dieser Schalttopologien ist die Generierung von hochfrequenten Störungen, welche sich sowohl am Aus- als auch am Eingang durch leitungsgebundene Störungen zeigen. In weiterer Folge werden die hochfrequenten Störungen auch im Feld bei der abgestrahlten Störaussendung sichtbar. Diese können ebenfalls auch umliegende elektrische Geräte stören. Der aktuelle Trend zur Verwendung immer höheren Frequenzen und kürzeren Anstiegs- und Abfallzeiten zur Erhöhung des Wirkungsgrads, wirken sich jedoch bei der Störaussendung negativ aus.
3. LC-Filter helfen, das Ausgangsrauschen zu reduzieren
Jede handelsübliche Stromversorgung verfügt intern über einen minimalen Filter, um den Ripple Noise auf einen typischen Vpeak-peak von etwa 1% des DC-Ausgangs zu reduzieren. Dies ist in den meisten Anwendungen akzeptabel, aber wenn für eine empfindliche Anwendung niedrigere Werte erforderlich sind, wäre eine einfache Lösung das Hinzufügen eines externen LC-Filters (Abbildung 1).
Die Impedanz der Spule ist bei Gleichstrom theoretisch Null und die Impedanz des Kondensators unendlich, so dass der gewünschte Gleichstrom nicht beeinflusst wird. Mit zunehmender Frequenz erhöht sich jedoch die Impedanz der Induktivität ZL und die Impedanz des Kondensators ZC verringert sich, wodurch ein zunehmender „Spannungsteiler“-Effekt entsteht.
Die Impedanz der Spule ist bei Gleichstrom theoretisch Null und die Impedanz des Kondensators unendlich, so dass der gewünschte Gleichstrom nicht beeinflusst wird. Mit zunehmender Frequenz erhöht sich jedoch die Impedanz der Induktivität ZL und die Impedanz des Kondensators ZC verringert sich, wodurch ein zunehmender „Spannungsteiler“-Effekt entsteht.
Abb. 1: Externe LC-Filter reduzieren Ausgangswelligkeit und Rauschen
Die Eckfrequenz fc ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, kann die Eckfrequenz durch Erhöhung der Induktivität oder der Kapazität oder beider verringert werden. In der Regel wird fc auf 1/10 der Schaltfrequenz der Stromversorgung eingestellt, um eine gute Dämpfung zu erreichen.
Obwohl es einfach ist, eine Filter-Eckfrequenz zu wählen, um den Ripple bei der Schaltfrequenz der Stromversorgung wirksam zu reduzieren, ist es schwieriger, die Dämpfung von Störsignalen vorherzusagen, die ein ganzes Spektrum von Oberwellenfrequenzen mit sich bringen. Das liegt daran, dass bei einer bestimmten Frequenz, wenn der Wert von ZL und ZC gleich wird, das LC-Netzwerk in „Resonanz“ geht und es zu Rauschsignalen kommen kann. Oberhalb der Resonanz gibt es zwar immer noch eine gewisse Dämpfung, dennoch können andere parasitäre Effekte auftreten. Zum Beispiel erzeugt die Eigenkapazität der Induktivität eine weitere Resonanzstelle bei einer viel höheren Frequenz. Diese Kapazität bietet hochfrequenten Rauschsignalen einen Bypass in eben diesen Frequenzbereich, wodurch die dämpfende Wirkung der Spule nicht zur Geltung kommt. Zudem nehmen bei höheren Frequenzen die Kernverluste in der Spule zu, und der Wechselstromwiderstand des Spulendrahts erhöht sich aufgrund des Skineffekts. Außerdem beginnt der Kondensator, wie ein Widerstand zu wirken, da seine Impedanz im Vergleich zu seinem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) klein wird.
Obwohl es einfach ist, eine Filter-Eckfrequenz zu wählen, um den Ripple bei der Schaltfrequenz der Stromversorgung wirksam zu reduzieren, ist es schwieriger, die Dämpfung von Störsignalen vorherzusagen, die ein ganzes Spektrum von Oberwellenfrequenzen mit sich bringen. Das liegt daran, dass bei einer bestimmten Frequenz, wenn der Wert von ZL und ZC gleich wird, das LC-Netzwerk in „Resonanz“ geht und es zu Rauschsignalen kommen kann. Oberhalb der Resonanz gibt es zwar immer noch eine gewisse Dämpfung, dennoch können andere parasitäre Effekte auftreten. Zum Beispiel erzeugt die Eigenkapazität der Induktivität eine weitere Resonanzstelle bei einer viel höheren Frequenz. Diese Kapazität bietet hochfrequenten Rauschsignalen einen Bypass in eben diesen Frequenzbereich, wodurch die dämpfende Wirkung der Spule nicht zur Geltung kommt. Zudem nehmen bei höheren Frequenzen die Kernverluste in der Spule zu, und der Wechselstromwiderstand des Spulendrahts erhöht sich aufgrund des Skineffekts. Außerdem beginnt der Kondensator, wie ein Widerstand zu wirken, da seine Impedanz im Vergleich zu seinem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) klein wird.
Abb. 2: Ein externer Filter mit parasitären Elementen
Die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Kondensators führt ebenfalls zu Hochfrequenzeffekten. Wenn diese parasitären Elemente einbezogen werden, ähnelt das Ersatzschaltbild des einfachen LC-Filters in Abbildung 1 in Wirklichkeit eher dem in Abbildung 2 dargestellten.
4. Parasitäre Effekte in Spulen verändern die Dämpfung
Die Verwendung von LLOSS 1 und LLOSS 2 zusammen mit RLOSS ist ein einfacher Weg, um die Auswirkungen der frequenzabhängigen Kernverluste in der Schaltung zu berücksichtigen - unterschiedliche Werte von LLOSS ergeben unterschiedliche Impedanzen, die es ermöglichen, dass unterschiedliche Widerstandselemente RLOSS 1 und RLOSS 2 bei unterschiedlichen Frequenzen eine Wirkung haben.
Es können weitere Netzwerke LLOSS/RLOSS hinzugefügt werden, um das Modell genauer zu machen, aber die Werte der parasitären Elemente lassen sich nur schwer aus den Datenblättern der Spulen berechnen. Um ein vollständiges Modell für eine bestimmte Induktivität und einen bestimmten Kern zu erhalten, müssen die Werte daher empirisch ermittelt werden.
Abbildung 3 zeigt ...
Es können weitere Netzwerke LLOSS/RLOSS hinzugefügt werden, um das Modell genauer zu machen, aber die Werte der parasitären Elemente lassen sich nur schwer aus den Datenblättern der Spulen berechnen. Um ein vollständiges Modell für eine bestimmte Induktivität und einen bestimmten Kern zu erhalten, müssen die Werte daher empirisch ermittelt werden.
Abbildung 3 zeigt ...
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