Speicherinduktivität

Speicherinduktivitäten gibt es in verschiedenen Formen und können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Je nach Anwendung variieren diese Faktoren. (Bild: ©tunedin - stock.adobe.com)

Schaltvorgänge erzeugen in einem Schaltnetzteil eine Wechselspannung in der Induktivität. Eine Induktivität lässt sich auch wie eine Rahmenantenne betrachten, wobei ihre elektromagnetische Strahlung von einer ganzen Reihe von Faktoren abhängt. Hierzu gehören beispielsweise Eigenschaften wie Kern- und Schirmungsmaterial oder auch die Wahl des Wicklungsanfangs. Die elektromagnetische Abstrahlung wird im unteren Frequenzbereich (100 kHz bis 30 MHz) von der Schaltfrequenz und deren Oberwellen und damit von den Wicklungseigenschaften und der Art der Schirmung beeinflusst. Bei höheren Frequenzen (30 MHz bis 1 GHz) sind Oberschwingungen und deren Oberwellen und damit eher Schirmeigenschaften des Kernmaterials und das grundlegende Design entscheidend.

Elektromagnetische Spannung in Speicherinduktivitäten

Schaltvorgänge erzeugen in einem Schaltnetzteil elektromagnetische Ausstrahlungen, die sich auf andere Komponenten auswirken können. Spulen können diese Ausstrahlungen mit geschirmten und halbgeschirmten Spulen verringen und den Einfluss auf andere Bauteile begrenzen. Beide Varianten bringen Vor- und Nachteile etwa bei Schirmung, Platzbedarf oder Kosten mit sich. Weiterhin spielt die Orientierung des Wicklungsanfangs sowie die Platzierung eine große Rolle, um die Abschirmung zu verbessern. Auch eine externe Schirmung ist möglich. Entwickler sollten Überlegungen zur EM-Abschirmung bereits früh in den Entwicklungsprozess einplanen, da sich Anpassungen oder Ergänzungen im Nachhinein nur schwer umsetzen lassen.

Elektromagnetische Ausstrahlung

Wechselspannung und Wechselstrom in der Spule erzeugen ein E-Feld und ein H-Feld, welche sich, ausgehend von der Quelle, im rechten Winkel zueinander ausbreiten. Im Nahbereich der Quelle, welche als Rahmenantenne agiert, bestimmt das Verhalten der Quelleigenschaften (Schaltfrequenz, Übergänge usw.) die Merkmale der Felder E und H. Weiter von der Quelle entfernt bestimmt das Übergangsmedium die Feldeigenschaften. Diese separaten und doch miteinander in Verbindung stehenden Phänomena lassen sich folglich zwei Bereichen zuordnen: dem Nahfeld, in dem die beiden Felder separat betrachtet werden, da ihr Verhältnis, definiert als Wellenwiderstand E/H, nicht konstant ist und dem Fernfeld, in dem diese beiden Felder gemeinsam eine ebene Welle bilden.

Wird die Quelle mit einem starken Strom und bei niedriger Spannung betrieben, so spricht man von einem dominanten Magnetfeld, während bei schwachem Strom und hoher Spannung das elektrische Feld dominant ist. Bei einer geraden Drahtantenne ist der Wellenwiderstand hoch, da das elektrische Feld im Bereich der Quelle dominant ist. Die Abschwächungseigenschaften sind denen der Rahmenantenne genau entgegengesetzt. Die genannten Faktoren zeigen, dass die elektromagnetische Abstrahlung in DC/DC-Wandlern nicht zu vernachlässigen ist, vor allem mit Blick auf die umgebenden Bauteile. Hersteller haben darauf reagiert und ihr Portfolio um geschirmte oder halbgeschirmte Spulen erweitert.

Messung von H-Feld
Bild 1: H-Feld ungeschirmter, halbgeschirmter und geschirmter Spulen. (Bild: Würth Elektronik)

Abstrahlung von halb- und vollgeschirmten Spulen

Bei ungeschirmten Spulen liegen die Spulenwicklungen normalerweise frei und es gibt auch keine andere magnetische Schirmung. Aufgrund der ungehinderten Ausbreitung von EM-Feldern gehören diese Spulen zu den stärksten EMV-Störquellen. Im Gegensatz dazu sind geschirmte Spulen so gefertigt, dass die Wicklung vollständig in einem Formteil zur magnetischen Schirmung gekapselt ist. Bei halbgeschirmten Spulen sind magnetische Materialien meist mit Epoxidharz auf die freiliegenden Windungen aufgebracht.

Der wesentliche Vorteil der geschirmten Spule besteht in den relativ schwachen elektromagnetischen Emissionen im Vergleich zu halbgeschirmten und ungeschirmten Spulen (Bild 1). Allerdings gehen diese Vorteile meist mit einem größeren Bauvolumen und daher einem vergrößerten Platzbedarf einher. Außerdem muss der Kostenfaktor berücksichtigt werden, wodurch gerade unerfahrene Entwickler häufig zu ungeschirmten Spulen mit kleinem Platzbedarf, geringen Kosten und hohen Sättigungsströmen greifen. Oft kämpfen sie dann bei den späteren Messungen mit etlichen EMV-Problemen, welche sich nach der Designphase aber nur noch schlecht bekämpfen lassen. Mit halbgeschirmten Spulen lässt sich der Spagat zwischen Platzbedarf, elektrischen Merkmalen und EMV bewältigen. Diese eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen die Bauteile in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Spulen nicht besonders strahlungssensibel sind.

Messung von H- und E-Feld
Bild 2: Oben: H-Feld der mit dem Schaltknoten verbundenen Wicklungsstart und umgekehrt. Unten: E-Feld der mit dem Schaltknoten verbundenen Wicklungsstart und umgekehrt. (Bild: Würth Elektronik)

Orientierung des Wicklungsanfangs

Ein für die EMV wesentlicher Aspekt, der häufig übersehen wird, ist die Orientierung des Wicklungsanfangs, welcher von Herstellern wie Würth Elektronik auch meist durch einen Punkt auf der Spule markiert ist. Es ist wichtig, die mit dieser Markierung versehene Spulenseite möglichst nah am Schaltknoten anzuschließen, da an dieser Seite der höchste dU/dt-Wert auftritt und dadurch Störeinflüsse am stärksten sind. Auf diese Weise wird der Wechselstromfluss vom Schaltknoten beim Schalten durch die äußeren Wicklungen abgeschirmt. Andernfalls treten die AC-Flussspannungen an der äußeren Wicklung auf, was zu elektrischen oder kapazitiven Kopplungen inakzeptabler Stärke führen kann.

Die Messung in Bild 2 vergleicht die Anordnung der Spule zu dem Schaltknoten und zeigt eindeutig, dass die E-Feldemissionen wesentlich niedriger sind, wenn das mit dem Punkt markierte Ende der Spule mit dem Schaltknoten verbunden ist. Die Wirksamkeit dieser Schirmung hängt von den Materialeigenschaften und der Permeabilität ab: Je höher die Stärke und Permeabilität des Kernmaterials, desto wirksamer ist die Schirmung des E-Feldes.

Elektromagnetische Störungen können nur auftreten, wenn eine Strahlungsquelle, ein Übertragungsmedium und eine Störsenke vorhanden sind. Durch steigende Schaltfrequenzen nutzen DC/DC-Wandler kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten des Schaltwandlers, um die Schaltverluste gering zu halten. Hierdurch entstehen jedoch steile Flanken am Schaltknoten, begleitet von „Klingeln“ und Nadelimpulsen.

Aufgrund der Schwingungen am Schaltknoten, der schnellen Übergänge und der hohen Schaltfrequenz ist die Auswahl einer geeigneten Spule zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich. Normalerweise liegt die Klingelfrequenz im Bereich zwischen 100 und 200 MHz. Geschirmte Spulen sind häufig so ausgelegt, dass die Schaltgrundfrequenz, nicht aber die höheren Klingelfrequenzen, geschirmt werden. Die Wirksamkeit bei der Abschwächung von Emissionen in diesen Frequenzbereichen hängt in hohem Maße von den Eigenschaften der Spule ab – vor allem von Kernmaterial und Materialstärke.

Die Schirmwirkung von Induktivitäten mit Eisen- oder Metalllegierungspulver ist im Frequenzbereich über 1 MHz bei der E- und H-Feld Abschirmung deutlich beschränkt. Spulen aus MnZn oder NiZn sind hier deutlich effektiver (Bild 3).

Vergleich E- und H-Feld
Bild 3: Oben: Vergleich des E-Feldes bei Verwendung von Eisenpulver (WE-LHMI), MnZn (WE-HCF) und NiZn(WE-PD) als Kernmaterial. Unten: Vergleich des H-Feldes von Eisenpulver (WE-LHMI), MnZn (WE-HCF) und NiZn (WE-PD) als Kernmaterial. (Bild: Würth Elektronik)

Externe Schirmung

In Fällen, in denen sich eine Induktivität nicht durch ein anderes Kernmaterial ersetzen lässt, kann der Einsatz externer, zusätzlicher Lösungen sinnvoll sein, um die Emissionen zu minimieren. Beispielsweise können Spulen mit Eisenpulverkern oder Metalllegierungen – mit hervorragenden Sättigungseigenschaften und kompakten Bauformen – mit zusätzlichen Schirmmaterialien ummantelt werden, um die EMV-Richtlinien einzuhalten. Solche externen Schirmungen können aus Kupfer, Aluminium oder Verbundmischungen bestehen, ausgeführt als komplettes zusätzliches Gehäuse, um Störungen zu reflektieren oder zu absorbieren. Stärke und Typ des Materials wählen Entwickler nach Faktoren wie Schirmungseffizienz, Frequenz und Kosten aus. Alternativ lässt sich die magnetische Schirmung mit magnetischen Materialien oder Mu-Metallen realisieren, deren Wirksamkeit von der Permeabilität, dem Wellenwiderstand und der Stärke des verwendeten Materials abhängig ist.

Hersteller wie Würth Elektronik bieten eine Vielzahl von Schirmmaterialien aus Metall und Mu-Metall wie beispielsweise Kupferband, verschiedene Schirmgehäuse aus Verbundmetallen, NiZn- und Ferritplatten usw. Diese Produkte stellen flexible und anpassungsfähige Lösungen dar, die für spezielle Konstruktionsbeschränkungen geeignet sind und für bestimmte Frequenzbereiche wählbar sind. Die Effektivität solcher Schirmungen ist nicht auf die Nahfeldstrahlung beschränkt. Mit Metall- und Ferritlösungen lassen sich auch im Fernfeld beträchtliche Verbesserungen erzielen.

Frühzeitig angehen

Das Thema der elektromagnetischen Abstrahlung ist sehr komplex und kleinste Abänderungen oder Schwankungen beeinflussen die ausgehenden Emissionen. Charakterisierung und Modellbildung, auch aufgrund der Verfügbarkeit neuer Technologien wie GaN oder SiC und damit einhergehend immer größer werdender Schaltfrequenzen, können einen erheblichen Zeitaufwand bedeuten. Diesen Aufwand sollte man aber auf jeden Fall treiben – gegebenenfalls auch mit externer Unterstützung. Wer EMV von Layout und Bauteilauswahl an beachtet, erlebt keine bösen Überraschungen in der Prüfung, die sonst die Zeit bis zur Marktreife eines Produkts unnötig verlängern. In diesem Sinne bietet Würth Elektronik nicht nur ein umfangreiches Portfolio an Induktivitäten und Abschirmmaterialien, um die unterschiedlichsten Anforderungen abzudecken, sondern steht Kunden auch mit entwicklungsbegleitendem Support und technischer Unterstützung zur Seite. Ein frühzeitiger kleiner Hinweis vom EMV-Fachmann kann große Wirkung auf die Qualität des späteren Produkts haben.

Autor

Ranjith Bramanpalli, Würth Elektronik

Ranjith Bramanpalli

Product Application Engineer bei Würth Elektronik Eisos.

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