Elektromagnetische Störungen (EMI) können sich negativ auf benachbarte Stromkreise auswirken, daher gibt es verschiedene Vorschriften und Normen, um dies zu verhindern. Entwickler haben mehrere Möglichkeiten, EMI einzudämmen.

Elektronische Schaltungen sind oft eng aneinandergereiht. Hier können elektromagnetische Störungen zum Problem werden. (Quelle: Ingo Bartussek @ AdobeStock)

Da elektromagnetische Störungen (EMI) den Betrieb benachbarter Stromkreise beeinträchtigen, haben verschiedene Institutionen Vorschriften und Normen erlassen, die sicherstellen sollen, dass verschiedene Stromkreise störungsfrei koexistieren können. Der Standard CISPR 32 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) beispielsweise, der die gängigen Spezifikationen CISPR 22 und 13 ersetzt und kombiniert, definiert zwei Arten von Geräten. Geräte, die primär für den privaten Gebrauch bestimmt sind, müssen die Grenzwerte nach Klasse B einhalten, während alle anderen Geräte der Klasse A mit etwas lockereren Anforderungen angehören.

In einer als Faradayscher Käfig ausgeführten Messkammer werden abgestrahlte Störgrößen gemessen. Eine vertikal oder horizontal ausgerichtete Antenne misst die Störaussendungen in 1 oder 4 m Höhe, während sich das Prüfobjekt während der Messung auf einem um 360° drehbaren Tisch befindet. Mit der Messung können der höchste Quasi-Spitzenwert und der Mittelwert bestimmt werden. Der Unterschied zwischen Spitzenwert, Quasi-Spitzenwert und Mittelwert ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die höchste interne Frequenz (Fx) des Prüflings bestimmt die höchste Frequenz, mit der die eingestrahlten Störgrößen gemessen werden (Tabelle 1). Die Grenzwerte für Störstrahlungen nach CISPR 32 richten sich nach der Geräteklasse, dem Messfrequenzbereich und der Größe der Messkammer. Als Beispiel sind in Abbildung 2 die Grenzwerte für Geräte der Klasse A in 3 m oder 10 m Messkammern dargestellt.

Die Schwierigkeiten bei der Qualifizierung eines isolierten DC/DC-Wandlers können effektiv gemildert werden, indem die EMI-Eindämmung in den frühen Phasen des Designs berücksichtigt wird. Nachdem der Entwickler die geltenden Grenzwerte identifiziert hat, muss er die Ursachen finden, die zum Auftreten von Störgrößen führen und dann sondieren, mit welchen Methoden sich die Emissionen unterhalb der Grenzwerte halten lassen. TI hat das isolierte DC/DC-Modul UCC12050 mit Blick auf die EMI-Eindämmung entwickelt. Das Modul erfüllt die Grenzwerte der Norm CISPR 32 für leitungsgebundene und gestrahlte Störgrößen ohne Ferritperlen, was sowohl Kosten senkt als auch Leiterplattenplatz spart.

Bild 3 zeigt die Anordnung zur Messung leitungsgebundener Störungen, für die unter anderem ein Impedanzstabilisierungsnetzwerk (ISN) benötigt wird. Hierbei handelt es sich um einen Tiefpassfilter, der normalerweise zwischen dem Netzteileingang und dem Prüfling eingefügt wird. Die an der Messung beteiligten Entwickler schließen dann die Stromversorgung an der Netzseite des ISN an, während ein Spektrumanalysator auf der DUT-Seite, der an einen der 50 -Ausgänge des ISN angeschlossen ist, einen Frequenzsweep durchführt. Der andere 50--Ausgang ist dagegen mit einem 50--Abschlusswiderstand versehen. Anschließend führt das Testteam einen weiteren Frequenzlauf mit geschalteten Verbindungen durch. Die nach CISPR 32 angegebenen Grenzwerte für leitungsgebundene Störungen beziehen sich auf einen Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz. Abbildung 3 zeigt die Grenzwerte für leitungsgeführte Störgrößen für Geräte der Klasse A.

Tabelle 1: Höchste Frequenzen bei der Messung von Störstrahlungen nach CISPR 32.

EMV-Probleme lassen sich in die Störquelle, den Übertragungsweg und die Störsenke unterteilen. Störquelle in einem getakteten Netzteil sind oft die Schaltvorgänge mit ihren steilen Spannungs- und Stromflanken (hohe du/dt- bzw. di/dt-Werte). Der Gleichtaktstrom fließt durch die parasitäre Kapazität zwischen dem Drain des Leistungs-MOSFET bzw. dem Kollektor des IGBT und dem Kühlkörper. Der Rückstrom kann dann über die Erde zur Stromquelle zurückfließen, so dass es sich hier um eine leitungsgeführte Störgröße handelt.

Eine Störgröße kann auch durch elektromagnetische Kopplung zwischen Signalleiterbahnen oder Stromversorgungsleitern übertragen werden. Netzteile oder Masseflächen können bei den Resonanzfrequenzen oft unbeabsichtigt als Planarantennen wirken. Integrierte Schaltungen sind jedoch normalerweise zu klein, um selbst signifikant zu strahlen. Um Felder auszusenden, deren Stärke ausreicht, um ein Störproblem zu verursachen, muss Energie aus dem Gehäuse des integrierten Schaltkreises in größere Strukturen wie Leiterplattenoberflächen, Kühlkörper oder Kabel eingekoppelt werden, die wiederum als Antennen wirken können.

Die Störsenke ist eine Antenne, die abgestrahlte Störungen empfängt. Das ISN fungiert als Interferenzsenke für leitungsgebundene Interferenzen und wird als EMI-Empfänger zur Messung von Interferenzen verwendet.

Ein isolierter Leistungswandler überträgt Energie über eine Isolationsbarriere, wobei die Eingangs- und Ausgangsflächen eine natürliche Dipolantenne bilden. Wie in Abbildung 4 gezeigt, fließt ein Gleichtaktstrom durch die parasitäre Kapazität zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators und kehrt durch die parasitäre Kapazität zwischen den beiden Zweigen des Eingangs-/Ausgangsdipols zurück. Die Größe der Leiterplattenfläche bestimmt die Größe der Dipolantenne, während die Fläche des Transformators und der Abstand zwischen den Wicklungen die Kapazität bestimmen. Dieser Gleichtaktstrom erzeugt abgestrahlte Störgrößen, deren Energie mit dem Strom ansteigt.

Eine der gängigsten Methoden des EMV-Managements besteht darin, die Störgrößen an der Quelle durch bessere Methoden zur Steuerung des Schaltvorgangs zu bekämpfen. Beispielsweise kann mit einer höheren Gate-Impedanz die Schaltgeschwindigkeit reduziert werden, was wiederum die Flankensteilheit der Spannung am Schaltknoten (VSW) verringert. Am Ende der Abschaltzeit bewirkt die Resonanz der Schleifeninduktivität mit den parasitären Kapazitäten, dass das VSW mit hohen Frequenzen schwingt. Um Überschwinger zu reduzieren und das Gerät zu schützen, können Designer auch einen Widerstand, einen Kondensator, eine Diode oder eine andere Snubber-Schaltung verwenden. Die Softswitch-Technologie ist ein weiteres weit verbreitetes Verfahren zur Steuerung von du/dt und zur Vermeidung hochfrequenter Störungen am Vermittlungsknoten.

Auch die Schaltfrequenz spielt eine wichtige Rolle, um die Anforderungen an den EMV-Filter zu erleichtern. Je niedriger sie gewählt wird, desto kleiner sind die Störgrößen, aber desto größer die dafür benötigten passiven Komponenten. Als Kompromiss legen Entwickler oft die Schaltfrequenz auf etwa 70 kHz fest, damit die Oberwellen erster und zweiter Ordnung des Schaltstroms niedriger sind als die untere Grenzfrequenz von 150 kHz der CISPR-Normen für leitungsgebundene Störungen. Übrigens kann die Schaltfrequenz deutlich erhöht werden, nämlich in den dreistelligen Kilohertz- oder Megahertz-Bereich, um die Filterabmessungen zu reduzieren, was meist in Verbindung mit dem Einsatz von Softswitch-Technik erfolgt.

Eine andere Methode der EMI-Eindämmung ist die Spread-Spectrum-Modulation, bei der die Schaltfrequenz um einige Prozent um den Nennwert herum variiert wird. Dadurch werden die Störgrößen auf einen größeren Frequenzbereich verteilt, anstatt sich auf die Nennfrequenz zu konzentrieren. Es ist entscheidend, den Takt unter die Toleranzschwelle der Schaltung zu modulieren, ohne andere Steuer- und Kommunikationsschaltungen zu stören.

Das Modulationsprofil bezieht sich auf die Form der Kurve, die den Frequenzverlauf beschreibt - Sinus- und Dreiecksprofile sind hier sehr verbreitet. Ein anderes Verfahren, bei dem die Schaltfrequenz unter Beibehaltung des vorgegebenen Tastverhältnisses zufällig variiert wird, bietet angeblich Vorteile gegenüber den Standardprofilen.

Das Ziel bei der Entwicklung von Transformatoren für isolierte Stromversorgungen besteht darin, ein gutes Gleichgewicht zwischen Induktivität, Kopplung und parasitärer Kapazität zu finden. Um die erforderliche Beständigkeit gegen Gleichtaktstörungen zu erreichen und elektromagnetische Störungen einzudämmen, muss die Kapazität zwischen den Wicklungen begrenzt werden.

Der UCC12050 von Texas Instruments gehört zu einer Familie isolierter DC/DC-Wandler und -Module und ist das erste Produkt, das auf der integrierten Transformatortechnologie von TI basiert. Das Modul ist direkt einsetzbar und benötigt als zusätzliche Komponenten lediglich Ein- und Ausgangskondensatoren. Der für eine Eingangsspannung von 5 V + 10 % ausgelegte Baustein liefert isolierte Ausgangsspannungen von 3,3 V, 3,7 V, 5 V oder 5,4 V bei Lastströmen über 500 mA. Neben dem UCC12050 mit verstärkter Isolierung gibt es den UCC12040 mit Basisisolierung. Beide sind dank Spread-Spectrum-Modulation und ihrer geringen Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite auf einen niedrigen EMI-Pegel optimiert. Bild 5 zeigt die abgestrahlten Störgrößen des UCC12050 im Vergleich zu einem vergleichbaren Modul, nach CISPR 32 in 10 m Entfernung und mit horizontaler Antenne. Beide Komponenten arbeiten mit 5 V Eingangs- und Ausgangsspannung und 500 mA Laststrom und befinden sich auf einer zweilagigen Platine – ohne Ferritperlen, ohne LDOs und ohne überlappende Masseflächen zwischen Primär- und Sekundärseite. Der UCC12050 von TI bleibt 5 dBµV/m unter der Quasi-Spitzengrenze der Klasse B, und seine Spitzen sind mehr als 25 dBµV/m niedriger als beim Konkurrenzgerät.

Auch bei den leitungsgebundenen Störgrößen schneidet der UCC12050 besser ab (Abbildung 6). In diesen beiden Diagrammen sind die Grenzwerte mit gestrichelten (Quasi-Spitzenwert) oder durchgezogenen Linien (Mittelwert) dargestellt.

Das Leiterplattenlayout kann zusätzlich verbessert werden, indem beispielsweise ein Stitch-Kondensator zwischen die beiden Innenlagen gelegt wird. Entwickler sollten jedoch die Abmessungen sorgfältig prüfen, um die richtige Isolationsfestigkeit zu erhalten.

Senior Systems Design Engineer High Voltage Power bei Texas Instruments

Systemingenieur Hochspannungsleistung bei Texas Instruments

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