Das sind die EMI-Anforderungen an isolierte Gleichspannungswandler

Da elektromagnetische Interferenzen (EMI) den Betrieb benachbarter Schaltungen beeinträchtigen, haben verschiedene Institutionen Regelwerke und Normen erlassen, die für ein ungestörtes Nebeneinander verschiedener Schaltungen sorgen sollen. Der Standard CISPR 32 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) etwa, der die populären Spezifikationen CISPR 22 und 13 ersetzt und kombiniert, definiert zwei Arten von Equipment. Geräte, die vorwiegend für den privaten Bereich gedacht sind, müssen die Grenzwerte gemäß Klasse B einhalten, während alle übrigen Geräte zur Klasse A mit etwas lockereren Vorgaben zählen.

Wie werden abgestrahlte Störgrößen gemessen?

Die Messung abgestrahlter Störgrößen erfolgt in einer Messkammer, die als Faradayscher Käfig ausgebildet ist. Darin misst eine vertikal bzw. horizontal ausgerichtete Antenne in Höhen von 1 bzw. 4 m die Störemissionen, während sich der Prüfling auf einem Tisch befindet, der sich während der Messung um 360° dreht. Mit der Messung lassen sich so der höchste Quasi-Spitzenwert und der Durchschnittswert ermitteln. Der Unterschied zwischen Spitzenwert, Quasi-Spitzenwert und Durchschnittswert ist in Bild 1 dargestellt.

Die höchste interne Frequenz (Fx) des Prüflings bestimmt die höchste Frequenz, mit der die abgestrahlten Störgrößen gemessen werden (Tabelle 1).  Die Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß CISPR 32 richten sich nach der Klasse des Geräts, dem Messfrequenzbereich und der Größe der Messkammer. Exemplarisch sind in Bild 2 die Grenzwerte für Geräte der Klasse A in 3 m bzw. 10 m großen Messkammern dargestellt.

Bild 3 zeigt die Anordnung zur Messung von leitungsgeführten Störgrößen, für die unter anderem ein Impedanzstabilisierungs-Netzwerk (ISN) benötigt wird. Dabei handelt es sich um einen Tiefpassfilter, der meist zwischen Stromversorgungs-Eingang und Prüfling eingefügt wird. Anschließend verbinden die an der Messung teilnehmenden Entwickler die Stromversorgung mit der Leitungsseite des ISN, während auf der Seite des Prüflings ein Spektrumanalysator, der mit einem der 50-Ω-Ausgänge des ISN verbunden ist, einen Frequenz-Sweep ausführt. Der andere 50-Ω-Ausgang wird dagegen mit einem 50-Ω-Abschlusswiderstand versehen. Danach führt das Test-Team einen weiteren Frequenzdurchlauf mit vertauschten Anschlüssen durch. Die gemäß CISPR 32 festgelegten Grenzwerte für leitungsgeführte Störgrößen beziehen sich auf einen Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz. In Bild 3 sind die Grenzwerte für leitungsgeführte Störgrößen für Geräte der Klasse A dargestellt.

Tabelle 1: Höchste Frequenzen bei der Messung abgestrahlter Störgrößen gemäß CISPR 32.

EMI-Probleme lassen sich in die Störquelle, den Übertragungsweg und die Störsenke aufteilen. In einer getakteten Stromversorgung handelt es sich bei der Störquelle häufig um die Schaltvorgänge mit ihren steilen Spannungs- und Stromflanken (hohe dv/dt- bzw. di/dt-Werte). Der Gleichtaktstrom fließt durch die parasitäre Kapazität zwischen der Drain des Leistungs-MOSFET bzw. dem Kollektor des IGBT und dem Kühlkörper. Der Rückstrom kann dann über die Masse zur Stromquelle zurückfließen, sodass man es hier mit einer leitungsgeführten Störgröße zu tun hat.

Eine Störgröße lässt sich darüber hinaus auch durch elektromagnetische Kopplung zwischen Signal-Leiterbahnen oder Stromversorgungs-Leitern übertragen. Stromversorgungs- oder Masseflächen können bei den Resonanzfrequenzen häufig ungewollt als Flächenantenne fungieren. Integrierte Schaltungen sind allerdings in der Regel zu klein, um selbst nennenswert zu strahlen. Zur Abstrahlung von Feldern, deren Stärke ausreicht, um ein Störproblem zu verursachen, muss hier deshalb Energie vom Gehäuse der integrierten Schaltung in größere Strukturen wie etwa Leiterplatten-Flächen, Kühlkörper oder Kabel gekoppelt werden, die ihrerseits als Antennen wirken können.

Die Störsenke ist eine Antenne, die abgestrahlte Störgrößen empfängt. Das ISN fungiert als Störsenke für leitungsgeführte Störgrößen und wird als EMI-Empfänger zum Messen von Störgrößen verwendet.

Ein isolierter Leistungswandler überträgt Energie über eine Isolationsbarriere hinweg, wobei die Eingangs- und Ausgangsflächen eine natürliche Dipolantenne bilden. Wie in Bild 4 dargestellt, fließt ein Gleichtaktstrom über die parasitäre Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators und gelangt über die parasitäre Kapazität zwischen den beiden Zweigen des Eingangs-/Ausgangs-Dipols zurück. Die Größe der Leiterplattenflächen bestimmt die Größe der Dipolantenne, während die Fläche des Transformators und der Abstand zwischen den Wicklungen über die Kapazität entscheiden. Dieser Gleichtaktstrom erzeugt abgestrahlte Störgrößen, deren Energie mit dem Strom zunimmt.

Eine der gängigsten Methoden des EMI-Managements ist es, die Störgrößen mithilfe besserer Verfahren zur Kontrolle des Schaltvorgangs gleich an der Quelle zu bekämpfen. Zum Beispiel lässt sich mit einer höheren Gate-Impedanz die Schaltgeschwindigkeit verringern, was wiederum die Flankensteilheit der Spannung am Schaltknoten (VSW) reduziert. Am Ende der Abschaltzeit bewirkt die Resonanz der Schleifeninduktivität mit den parasitären Kapazitäten ein hochfrequentes Schwingen von VSW. Um die Überschwinger zu verringern und den Baustein zu schützen, können Entwickler auch eine Widerstands-Kondensator-Dioden-Kombination oder eine andere Snubber-Schaltung verwenden. Die Soft-Switch-Technik ist eine weitere, verbreitet eingesetzte Methode zur Kontrolle von dv/dt und zur Unterbindung hochfrequenter Störgrößen am Schaltknoten.

Auch eine wichtige Rolle bei der Entschärfung der Anforderungen an die EMI-Filter spielt die Schaltfrequenz. Je niedriger sie gewählt wird, umso geringer werden die Störgrößen, aber umso größer werden dafür die benötigten passiven Bauelemente. Als Kompromiss setzen Entwickler häufig die Schaltfrequenz bei etwa 70 kHz an, damit die Oberschwingungen erster und zweiter Ordnung des Schaltstroms niedriger sind als die 150 kHz betragende untere Grenzfrequenz der CISPR-Standards für leitungsgeführte Störgrößen. Im Übrigen lässt sich die die Schaltfrequenz deutlich, nämlich in den dreistelligen Kilohertz- oder den Megahertz-Bereich, steigern, um die Filterabmessungen zu reduzieren, was meist in Verbindung mit der Anwendung einer Soft-Switch-Technik geschieht.

Ein weiteres Verfahren zur EMI-Eindämmung ist die Spread-Spectrum-Modulation, bei der die Schaltfrequenz um wenige Prozent um den Nennwert herum variiert wird. Hierdurch verteilen sich die Störgrößen auf einen größeren Frequenzbereich, anstatt sich auf die Nennfrequenz zu konzentrieren. Entscheidend ist es, den Takt unter die Toleranzschwelle der Schaltung zu modulieren, ohne andere Regel- und Kommunikations-Schaltungen zu stören.

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

Beim Design der Transformatoren für isolierte Stromversorgungen geht es darum, ein gutes Gleichgewicht zwischen Induktivität, Kopplung und parasitärer Kapazität zu erzielen. Um die geforderte Beständigkeit gegen Gleichtakt-Störgrößen zu erreichen und die elektromagnetischen Interferenzen einzudämmen, gilt es die Kapazität zwischen den Wicklungen zu begrenzen.

Der Baustein UCC12050 von Texas Instruments gehört zu einer Familie isolierter DC/DC-Wandler und -Module und basiert als erstes Produkt auf der integrierten Transformatortechnologie von TI. Der Baustein lässt sich direkt anwenden und benötigt als zusätzliche Bauteile lediglich Eingangs- und Ausgangs-Kondensatoren. 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 mit Lastströmen über 500 mA. Zusätzlich zum UCC12050 mit verstärkter Isolation gibt es den UCC12040 mit Basis-Isolation. Beide sind dank Spread-Spectrum-Modulation und wegen ihrer geringen Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite für ein niedriges EMI-Niveau optimiert. In Bild 5 sind die abgestrahlten Störgrößen des UCC12050 im Vergleich mit einem vergleichbaren Baustein dargestellt, gemäß CISPR 32 in 10 m Entfernung und mit horizontaler Antenne. Beide Bausteine arbeiten mit 5 V Eingangs- und Ausgangsspannung und 500 mA Laststrom und befinden sich auf einer zweilagigen Leiterplatte – ohne Ferritperlen, ohne LDOs und ohne überlappende Masseflächen zwischen Primär- und Sekundärseite. Der UCC12050 von TI bleibt um 5 dBµV/m unter dem Quasi-Spitzenwert-Limit von Klasse B, und seine Spitzen sind um mehr als 25 dBµV/m niedriger als bei dem konkurrierenden Baustein.

Auch bei den leitungsgeführten Störgrößen (Bild 6) schneidet der UCC12050 besser ab. In diesen beiden Diagrammen sind die Grenzwerte mit gestrichelten (Quasi-Spitzenwert) bzw. durchgezogenen Linien (Durchschnittswert) dargestellt.

Am Leiterplatten-Layout lassen sich zusätzlich Verbesserungen vornehmen, indem beispielsweise ein Stitch-Kondensator zwischen den beiden Innenlagen angeordnet wird. Dabei sollten Entwickler die Abmessungen allerdings sorgfältig kontrollieren, um die richtige Isolationsstärke zu wahren.