Bild 1: Prüfaufbau zur Messung der Störspannung.

Bild 1: Prüfaufbau zur Messung der Störspannung. Würth Elektronik eiSos

Ob Schaltnetzteil oder DC/DC-Schaltregler, jede Art von getakteter Stromversorgung verursacht eine breitbandige Störaussendung in Form von Störspannung und Störfeldern, welche zur Funktionsstörung anderer elektrischer Geräte führen kann. Hauptursache für die Störspannung ist am Eingang der Strom, welcher mit der Taktfrequenz des Schaltreglers durch den Eingangskondensators des Schaltreglers fließt und über den ESR einen Spannungsabfall URippel hervorruft, der aus einem proportionalen Anteil durch den ESR und einem inte­grierten Anteil durch die Kapazität besteht.

Messung der Störspannung

Abhilfe schafft ein Eingangsfilter, das die Störspannung in seiner Amplitude dämpft, Oberwellen unterdrückt und entscheidend die Funkstörspannung auf einen akzeptablen Wert reduziert. Beispielsweise legt die Fachgrundnorm EN61000-6-4 bei 150 kHz einen Grenzwert des Quasispitzenwertes von 79 dBμV fest. Der derzeitige Markt für passive Bauelemente bietet ein breites Portfolio an vorgefertigten Filtern, vermark­tet mit hoher Einfügedämpfung. Beispielweise werden Einfügedämpfungswerte zwischen 70 und 100 dB deklariert. Jedoch können diese Werte in der Praxis selten erreicht werden, da solche Filter in einem 50-Ω-System vermessen wurden und die Impedanzen der Stromversorgungen von diesen Werten ab­weichen. Die Entwicklung eines individuellen Filters wird empfohlen.

Bild 2: Ergebnis der Störspannungsmessung ohne Filter.

Bild 2: Ergebnis der Störspannungsmessung ohne Filter. Würth Elektronik Eisos

Zunächst sollte zur Entwicklung eines Eingangsfilters die Störart bekannt sein. Hierbei wird zwischen Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterschieden. Zur Unterdrückung der Gegentaktstörungen wird am Eingang des Schaltreglers ein Filter implementiert. Bereits entwicklungsbegleitend kann die Messung der Störspannung mit einer LISN (Line Impedance Stabilization Network) und einem Spektrumanalysator durchgeführt werden. Bild 1 zeigt den Prüfaufbau eines solchen Messverfahrens.

Anhand eines solchen Aufbaus können die reinen Gegentaktstörungen gemessen werden, da das Bezugspotenzial die Schaltungsmasse und nicht die Bezugserde ist. Aufgabe der LISN ist die Auskopplung der Störspannung als reine Wechselgröße. Das interne Tiefpassfilter der LISN verhindert eine Störung anderer, am Versorgungsnetz angeschlossener, elektrischer Geräte. Bild 2 zeigt die so gemessene Störspannung UStör in dBμV eines DC/DC-Abwärtsreglers bei einer Schaltfrequenz von 2 MHz, einer Eingangsspannung von 10 V und einem Eingangseffektivstrom von 0,7 A. Der Störspannungspegel Ustör wird durch folgenden Ausdruck in dB definiert (siehe Formel 1).

Deutlich sichtbar ist die Grundschwingung, korrespondie­rend zur Schaltfrequenz. Die harmonischen Oberschwingungen, welche bis in den hohen MHz-Bereich reichen, fallen in der Amplitude ab, liegen jedoch noch über dem Grenzwert. Mit 116 dBμV ist die Grundschwingung in ihrer Amplitude am größten. Anhand dessen lässt sich URippell bestimmen durch (siehe Formel 2). Somit liegt ein URippel von 631 mV vor, wodurch ein Eingangsfilter sichtlich erforderlich wird.

Bild 3: Anordnung des Eingangsfilters.

Bild 3: Anordnung des Eingangsfilters. Würth Elektronik Eisos

Beeinflussung des Schaltreglers

Im Folgenden wird ein auf den erwähnten Schaltregler angepasstes Eingangsfilter untersucht. Aus einer Spule (WE-PD2, ungeschirmt, L = 1 μH, SRF = 110 MHz, RDC = 49 mΩ) und einem Kondensator (FK-Serie, Elektrolyt, C =10 μF, U = 35 VDC) wird ein Tiefpassfilter konstruiert. Hierzu wird dieses vor den Eingangskondensator des DC/DC-Schaltreglers platziert. Bild 3 zeigt die Anordnung des Filters.

Zunächst sollte eine Filterspule mit hoher Eigenresonanzfrequenz (SRF, self-resonant frequency) gewählt werden, da die Spule im Allge­meinen im oberen Frequenzbereich aufgrund der parasitären Kapazität an Filterwirkung verliert. Um den Kern der Filterspule nicht in Sättigung zu treiben, sollte der zulässige Sättigungsstrom der Filterspule mindestens zehn Prozent über dem Spitzenwert des Eingangsstromes liegen. Ratsam ist an dieser Stelle ein möglichst geringer RDC, um den Gleichspannungsabfall zu minimieren. Nun wird ein Induktivitätswert gewählt, sodass die Eckfrequenz des Filters ein Zehntel der Schaltreglerfrequenz beträgt, somit weit unter der Durchtrittsfrequenz der Schaltreglerbandbreite liegt und die Grundschwingung sowie deren Oberschwingungen weitgehend dämpft. Der Eingangsfilter weist bei seiner Eckfrequenz Resonanzüberhöhung, sowie höchste Güte auf, weswegen eine Dämpfung des Filters erforderlich ist. Zwischen Filter-Eckfrequenz und der Durchtrittsfrequenz des Schaltreglers ist ein sicherer Abstand wichtig, um die Stabilität des Regelkreises des Schaltreglers zu ge­währleisten. Würden sich diese Frequenzen überlappen, könnte es zur Instabilität des Schaltreglers führen, da er nicht mehr schnell genug auf eine Änderung der Eingangsspannung reagieren könnte. Verursacht wird dies durch den negativen Eingangswiderstand des Schaltreglers.

Formel 1

Formel 1

Formel 2

Formel 2

Formel 3

Formel 3

In der Theorie gilt für den Schaltregler: Pab = Pzu. Dies bedeutet, dass bei konstanten Ausgangsbedingungen des Schaltreglers der Eingangsstrom Iein mit zunehmender Eingangsspannung Uein abnimmt. Dieser Effekt ist auf den negativen Eingangswiderstand des Schaltreglers Zein zurückzuführen; approximiert durch den Ausdruck in Formel 3.

Allerdings ist dies eine Großsignalanalyse. Auf Grund der frequenzabhängigen Bauteile im Schaltregler ist der Eingangswiderstand dynamisch und es bedarf daher einer Kleinsignalanalyse.

Als Praxistipp empfiehlt es sich die Impedanz des Eingangsfilters Zfilter viel geringer als die Eingangsimpedanz des Schaltreglers Zein zu halten.

In der Regel führt die Filterspule nicht zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern und man kann eine ungeschirmte, wie die WE-PD2, wählen. Bei der Wahl der Filterkapazität soll darauf geachtet wer­den, dass die maximal zulässige Betriebsspannung des Filterkondensators etwa 25 Prozent über der Versorgungsspannung liegt, da jeder Kondensator ein Spannungsderating aufweist. Mit zunehmender Spannung sinkt in Abhängigkeit des Dielektrikums der Kapazitätswert und somit die Filterwirkung. Um eine hohe Eigenresonanzfrequenz zu gewährleisten, erweist sich ein geringer ESL-Wert als vorteilhaft. Ausnahmsweise darf an dieser Stelle ein relativ hoher ESR herangezogen werden, da der ESR die Güte Q des Filters bewusst reduziert und die Resonanzüberhöhung des Tiefpassfilters dämpft. Empfehlenswert ist die Wahl einer verhältnismäßig großen Filterkapazität und einer kleinen Filterspule, da die Zunahme der Induk­tivität eine Verringerung der Eigenresonanzfrequenz bewirkt. Die Wahl eines Elektrolytkondensators als Filterkondensator ist die günstigste.

Bild 4: Ergebnis der Störspannungsmessung mit Filter.

Bild 4: Ergebnis der Störspannungsmessung mit Filter. Würth Elektronik Eisos

Um eine Fehlanpassung der Impedanzen zu vermeiden, ist eine gezielte Anordnung der Filterelemente wichtig. Da die Eingangsimpedanz des Schaltreglers, bedingt durch den Eingangskondensator, niedriger ist als die der Ver­sorgung, sollte die Filterspule zwischen Versorgung und Eingangskondensator des Schaltreglers liegen. Folgend wird der Filterkondensator nach der Spule parallel zur Versorgung beschaltet. Die Filterspule wirkt dem Rippelstrom entgegen und der Filterkondensator schließt die Störspannung nach Masse kurz. Bild 4 zeigt das neue Ergebnis der Störspannungsmessung mit dem zusätzlichen Eingangsfilter.

Die Filterspule WE-PD2, sowie der Filterkondensator konnten bereits mit diesen niedrigen Werten der Induktivität von 1 μH und einer Kapazität von 10 μF ein sehr gutes Ergebnis erzielen. Die Grundschwingung wurde in ihrer Amplitude um 30 dB gedämpft. Die Amplituden der höheren Harmonischen verschwinden im Grundrauschen. Um eine größere Dämpfung der Grundschwingung und dem gesamten unteren Frequenzbereich zu erlangen, kann der Induktivitätswert der Filterspule WE-PD2 weiter erhöht werden. Eine weitere Anpassung des Filters ermöglicht eine Einfügedämpfung von über 40 dB.

ECK-Daten

Ein Eingangsfilter ist unentbehrlich und sollte bereits während der Entwicklungsphase berücksichtigt werden. An einem DC/DC-Schaltregler lässt sich bereits mit einem LC-Filter die Gegentaktstörung unterdrücken und die Störspannung auf einen akzeptablen Pegel reduzieren. Mit einem gezielten Aufbau des Eingangsfilters und einer bewussten Auswahl der passiven Filterelemente lässt sich die höchst mögliche Einfügedämpfung mit Rücksicht auf die Stabilität des Schaltreglers erreichen.