EMI im Griff: Design von Stromversorgungssystemen

Elektromagnetisches Rauschen ist allgegenwärtig. Es ist das Ergebnis von elektrischen Strömen, Magnetfeldern und elektromagnetischen Feldern. In der Praxis heißt das, dass Rauschen durch natürliche Phänomene wie Blitze und Sonneneruptionen sowie durch menschengemachte elektrische oder elektronische Geräte wie Funksender und Schaltnetzteile erzeugt wird.

Das Rausch-Management in elektronischen Systemen ist ein wichtiger Bestandteil bei jedem ersten Design, da eine Rauschminimierung nach Abschluss des Designs oder bei der Herstellung eines Prototypen immer schwieriger und teurer wird. Ein erster Schritt zum Management des Rausch-Managements besteht darin, das Vokabular, die Ursachen und die Auswirkungen von Rauschen zu verstehen.

Wie beeinflusst EMI das Design von Stromversorgungssystemen?

Im Zusammenhang mit dem Design von Stromversorgungssystemen tritt Rauschen – allgemein als elektromagnetische Interferenz (EMI) oder Funkstörung (RFI) bezeichnet – in Form unerwünschter Ströme auf. Diese unerwünschten Ströme beeinträchtigen die Leistung jedes empfindlichen Geräts. Die Mechanismen dieser unerwünschten Ströme werden sowohl von der störenden Quelle als auch vom empfindlichen Empfänger aus betrachtet. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die Fähigkeit der Quelle und des Empfängers, in einer bestimmten elektromagnetischen Umgebung zu funktionieren.

Welche Arten von EMI-Emissionen gibt es?

Elektrische Ströme, die vom Stromversorgungseingang zur Spannungsquelle fließen, werden als leitungsgebundene Emissionen bezeichnet, wie in Bild 1 zu sehen.

Leitungsgebundene Emissionen werden am Eingang (Wechsel- oder Gleichstrom) auf zwei Arten erzeugt: durch Gegentaktstörungen und Gleichtaktstörungen (Bild 2). Gegentaktstörungen werden zwischen zwei Leitern gemessen. Gleichtaktstörungen sind auf jedem der Eingangsleiter vorhanden und fließen zur Erde. Leitungsgebundene Emissionen sind dem Eingangsstrom überlagert, der die Leistung von der Spannungsquelle (Wechsel- oder Gleichstrom) liefert. Sie können die Stromversorgung verlassen oder in sie eintreten.

Verlassen Ströme die Stromversorgung und fließen zur Eingangsspannungsquelle, werden sie allgemein als leitungsgebundene Emissionen bezeichnet. Wenn ein Strom aus Störquellen dem Eingangsstrom überlagert ist und in die Stromversorgung fließt, wird dies als leitungsgebundene Störfestigkeit bezeichnet. Gelegentlich wird man auf Anforderungen an die „leitungsgebundene Störfestigkeit“ stoßen, die die Reaktion eines Geräts auf unerwünschte Signale ist, die an der Stromleitungen anliegen. Bei militärischen Anwendungen sind Spezifikationen zur leitungsgebundenen Störfestigkeit üblich.

Ein weiterer unerwünschter Strom – auf der Ausgangsseite – ist dem Ausgangsgleichstrom überlagert, der die Last speist: der Ausgangs-Rippelstrom. In der Regel basiert jede Spezifikation hierfür auf den jeweiligen Geräten, so dass hier kein Standard eines Drittanbieters herangezogen wird.

Abgestrahlte EMI bezieht sich auf eine elektromagnetische Welle, die das Gehäuse, in dem sich das Produkt befindet, verlässt oder in dieses eintritt. Verlassen elektromagnetische Wellen das Gehäuse, werden sie als abgestrahlte Emissionen bezeichnet. Wirken elektromagnetische Wellen auf das Produkt ein, werden sie als abgestrahlte Störfestigkeit bezeichnet. Abgestrahlte Störfestigkeit ist die Reaktion des Geräts auf unerwünschte Strahlung, die auf das Gehäuse einwirkt.

Rippelstrom

Es gibt einen vierten Bereich des Störstroms, der jedoch gewöhnlich nicht spezifiziert wird, da er für den Endbenutzer des Geräts nicht sichtbar ist. Wenn es sich bei der Eingangsspannung um eine Wechselspannung handelt, sind für die Gleichrichtung zur Erzeugung eines Gleichstrompegels Kondensatoren zur Energiespeicherung nötig. Der Gleichstrompegel an den Kondensatoren wird von einer Rippelspannung überlagert. Diese Rippelspannung hängt neben anderen Faktoren vom Kapazitätswert, der Netzfrequenz und dem Leistungspegel ab. Dies ist nur selten in einer Produktspezifikation enthalten. Diese Welligkeit (bei einer einphasigen Spannung ist sie doppelt so hoch wie die Netzfrequenz) kann eine messbare Komponente sein, die zur Ausgangsspannungswelligkeit der Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers hinzukommt.

Die drei Arten von Rauschen werden alle durch das Ein- und Ausschalten von Bauteilen verursacht. Nach dem Wechselstromeingang findet im Front-End eine Gleichrichtung statt, um einen Gleichstrompegel zu erzeugen. Die Gleichrichtung erfolgt durch Dioden, wobei der Ausgang der Diode die Kapazität speist. Die Dioden schalten sich bei jedem Wechselstromzyklus ein und aus. Wenn die Dioden sich ausschalten, geschieht dies in < 1 µs, wodurch Schaltströme nicht nur bei Vielfachen der Netzfrequenz, sondern auch im MHz-Bereich entstehen. Diese Ströme fließen zurück zum Wechselstromeingang und bilden einen Teil des Spektrums leitungsgebundener Emissionen.

Weitere Schaltelemente befinden sich in den nachgeschalteten DC/DC-Wandlern. In der Regel handelt es sich dabei um einen oder mehrere Schalt-MOSFETs auf der Primärseite des Wandlers und Gleichrichterdioden (oder MOSFETs) auf der Sekundärseite. Die Bauteile schalten sich in diesem Fall in der Regel in < 20 ns ein und aus. So können die Frequenzen der Ströme leicht bis zu 30 MHz betragen. Dies ist die maximale Frequenz, die in den kommerziellen Standards für die Messung leitungsgebundener Störungen festgelegt ist.

Wenn die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) auch im Front-End enthalten ist, treten weitere Ströme aufgrund der schaltenden MOSFETs und Dioden der PFC-Schaltung auf.

Umgang mit Rauschströmen

Die Gleichstromausgänge haben auch hochfrequente Schaltströme, die zur Last fließen. Die Ströme, die zum Eingang zurückfließen, sowie die Ströme, die zur Last fließen, können aufgrund parasitärer Kapazität innerhalb der Stromversorgung und der Ausrüstung selbst viele Leitungswege finden. Da sich die Bauteile mit den genannten Geschwindigkeiten ein- und ausschalten, bildet jedes Paar paralleler Drähte, mechanischer Halterungen oder Komponentenbefestigungen eine parasitäre Kapazität und bietet so hochfrequenten Strömen einen Leitungsweg, selbst wenn die Kapazität nur wenige Piko-Farad beträgt.

Es gibt auch parasitäre Induktivitäten durch Verdrahtung und Leiterbahnführungen auf der Leiterplatte. Alle Leitungslängen sind induktiv und tragen zu induktiven Spannungen bei, die ebenfalls kapazitive Ableitpfade finden werden.

Da die Ströme in der Eingangs- und Ausgangsverdrahtung zeitlich variieren, erzeugen sie elektromagnetische Wellen. Diese abgestrahlten Störungen können unerwünschte Effekte in benachbarten Schaltkreisen oder Geräten verursachen. Nach den Prüfvorschriften der US-amerikanischen FCC und der EU werden diese Störungen mit einer Antennen-/Empfängerkombination in 10 m Abstand gemessen.

Warum ist Erdung entscheidend zur Rauschminderung?

Durch eine korrekte Erdung werden die Effekte aller Rauschquellen minimiert, da diese den Strömen einen niederohmigen Weg zur Erde bietet. In einem Stromversorgungssystem gibt es vier Stellen, die von Interesse sind (Bild 3). Je nachdem, ob es sich um einen Wechselstrom- oder Gleichstromeingang handelt, sind die Punkte 1, 2, 3 und 4 nicht identisch. Der Front-End-Eingang und -Ausgang (Punkte 1 und 2) weisen aufgrund des Leitungswiderstands und der induktiven Komponenten zur Filterung unterschiedliche Potentiale auf. Eingang und Ausgang des DC/DC-Wandlers (Punkte 2 und 3) sind aufgrund der Verwendung eines Trenntransformators unterschiedlich.

Normalerweise ist nur das Chassis (Punkt 4) mit der Erde (Masse) verbunden. Der Erdungsanschluss des Chassis ist dann am besten, wenn Z → 0 ist. Es kann sinnvoll sein, sich ein Blockschaltbild des Systems anzusehen und zu entscheiden, welche Wege die hochfrequenten Störströme wahrscheinlich nehmen werden, je nachdem, wie diese Punkte ausgewählt und ihre Verbindungen implementiert sind.

Bei Z = 0 wird jeder Störstrom, der zum Chassis fließt, zur Erde geleitet. Dies ist das Hauptziel. Ein Beispiel für einen unerwünschten anderen Weg wäre es, wenn die Störströme vom Front-End zu dem Gerät fließen, das mit Strom versorgt wird, und eine Änderung von dessen Verhalten verursachen. Darüber hinaus ist es bei einer EMI-Qualifikationsprüfung wünschenswert, dass alle Störströme zur Erde und nicht zum Messgerät fließen, da dies die Messungen von Gegentakt- wie auch Gleichtaktstörungen beeinflussen würde.

Sicherstellung der EMV-Konformität

Die Anforderungen hinsichtlich leitungsgebundener und abgestrahlter Emissionen werden in der Regel durch eine Spezifikation einer Drittpartei vorgeschrieben (Bild 4). Für leitungsgebundene Emissionen sind drei Spezifikationen gebräuchlich: FCC Part 15, Class A oder Class B in den Vereinigten Staaten; EN 55032, die EN 55022 ersetzt hat, Klasse A oder Klasse B in Europa; MIL-STD-461 für militärische Anwendungen. Zu beachten sind hier die Unterschiede im Niederfrequenzbereich.

Die FCC-Norm beginnt bei 450 kHz, die EN 55032 bei 150 kHz. MIL-STD-461, nicht dargestellt, beginnt bei 10 kHz für CE 102.

Es ist ratsam, dass Entwickler die Revisionsstände der betreffenden Spezifikationen prüfen und in der jeweiligen Spezifikation angeben.

Für leitungsgebundene Emissionen gibt es zwei Messverfahren: Quasi-Peak und Mittelwert (Average). Die jeweiligen Spezifikationsgrenzwerte sind in der Norm EN 55032 angegeben. Es können eine oder beide Messungen erforderlich sein. Schließlich werden zwei Klassen für die FCC- und EN-Spezifikationen gezeigt: Klasse B erfordert bei Bedarf eine zusätzliche Dämpfung im Vergleich zu Klasse A.

Die Ausgangsbrummspannung wird in der Regel als Prozentsatz der Ausgangsspannung angegeben und in Millivolt Peak-to-Peak ausgedrückt. Ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von 20 MHz misst standardmäßig diesen Parameter.

Elektromagnetische Strahlung tritt in der Regel aus dem Eingangs- und/oder Ausgangskabel aus, weil die Kabel ungeschützt sind. Die elektromagnetischen Wellen, die im Inneren des Gehäuses von Stromversorgung und Elektronik vorhanden sind, werden höchstwahrscheinlich gedämpft, bevor sie das Gehäuse verlassen. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Bel-Fuse.