Eckdaten

In seinem Fachbeitrag geht der Autor darauf ein, wo in einem Schaltnetzteil Störaussendungen entstehen und welche Methoden und Techniken es gibt, diese einzudämmen. Weiterhin wird erläutert, wie Powermodule, die einen Controller, den high- und low-seitigen FET und die Induktivität in einem Gehäuse vereinen, zur EMI-Reduzierung beitragen können.

Natürlich ist es nicht möglich die physikalischen Gesetze zu umgehen. Gemäß den Maxwell-Gleichungen erzeugt jeder Wechselstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dies gilt für jeden elektrischen Leiter, der zudem naturgemäß eine gewisse elektrische Kapazität und Induktivität besitzt und damit einen Schwingkreis bildet. Dieser Schwingkreis strahlt mit einer bestimmten Frequenz von f = 1/(2π∙√(LC)) elektromagnetische Energie in die Umgebung ab. Damit fungiert der Stromkreis als Sender, kann aber umgekehrt auch elektromagnetische Energie aufnehmen und als Empfänger wirken. Antennen werden so ausgelegt, dass sie möglichst viel Energie abstrahlen beziehungsweise empfangen.

EMI-Quellen in Schaltnetzteilen

Bildergalerie
Bild 1: Elektromagnetische Störaussendungen aus einem Schaltnetzteil wirken sich auf den Verbraucher und die primäre Stromversorgung aus.
Bild 2: Zwischen dem Eingang, den Schaltern und dem Eingangskondensator wird eine kritische Stromschleife gebildet.
Bild 3: Das Minimieren der Schleifenfläche trägt zur EMI-Eindämmung bei.
Bild 5: Beispiel eines schlechten Layouts mit großer Schleifenfläche (rotes Rechteck) zwischen Eingangspin und Eingangskondensatoren. Die zweite Schleife (rotes Oval) existiert zwischen IC und Induktivität.
Bild 6: Auswirkungen der Platzierung der Eingangskapazität des Wandlers LMR23630 auf das Ausmaß der abgestrahlten EMI.
Bild 7: Interner Aufbau verschiedener Powermodule. In beiden Fällen ist die Induktivität direkt über dem IC angeordnet.
Bild 8: Auswirkungen eines zusätzlichen Boot-Kondensators am Schaltknoten des Wandlers LMR23630. Es wird weniger EMI abgestrahlt, jedoch leidet der Wirkungsgrad infolge der höheren Schaltverluste.
Bild 9: Einschnitte und Leiterbahnen auf der Leiterplatte wirken sich auf den Stromfluss und damit auch auf die abgestrahlte EMI aus.
Bild 10: Der Widerstandsteiler am FB-Pin sollte stets möglichst nah an diesem Pin platziert sein.
Bild 11: Abgestrahlte Störemissionen des LMR23630 mit vier unterschiedlich platzierten Eingangskondensatoren.
Bild 12: Abgestrahlte EMI des Powermoduls LMZM33603.
Bild 13: Beispiel eines schlechten Layouts mit dem Powermodul LMZM33603.
Bild 14: Vergleich des EMI-Verhaltens des Wandlers LMR23630 und des Powermoduls LMZM33603.

Allerdings ist diese Antennenwirkung keineswegs bei jeder Anwendung erwünscht, und es kann zu negativen Nebenwirkungen kommen. Abwärts wandelnde Schaltnetzteile zum Beispiel haben eigentlich nur den Zweck, eine elektrische Spannung in eine niedrigere Spannung zu verwandeln. Sie strahlen jedoch nebenbei auch elektromagnetische Wellen ab und können damit störend auf andere Applikationen einwirken und beispielsweise den Mittelwellenempfang beeinträchtigen. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Störaussendung beziehungsweise Interferenz (EMI) bezeichnet.

Zur Aufrechterhaltung der Funktionalität ist es wichtig, die EMI-Quellen zu minimieren. Das Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) hat hierzu Normen wie etwa CISPR 25 als Richtmaß für Automotive-Anwendungen und CISPR 22 für IT-Ausrüstungen definiert.

Wie aber kann man die Störaussendungen eines Stromversorgungsdesigns reduzieren? Eine Möglichkeit ist es, das komplette Schaltnetzteil mit einer Metall-Abschirmung zu versehen, was aber in den meisten Anwendungsfällen aus Platz- und Kostengründen nicht in Frage kommt. Besser ist es dagegen, mit reduzierenden und optimierenden Maßnahmen gleich an den EMI-Quellen anzusetzen. Zu diesem Thema, über das bereits viel geschrieben wurde, finden Sie am Schluss dieses Beitrags zwei Literaturhinweise.

Minimierung von Stromschleifen im Layout

Welches sind die wichtigsten EMI-Quellen in Schaltnetzteilen und wie lässt sich das EMI-Aufkommen durch den Einsatz von Powermodulen reduzieren? Schaltnetzteile schalten mit einer Frequenz, die zwischen einigen hundert Kilohertz und einigen Megahertz liegen kann, die Eingangsspannung ein und aus, was zu steilen Strom- und Spannungsflanken (dI/dt beziehungsweise dV/dt) führt. Gemäß den eingangs erwähnten Maxwell-Gleichungen erzeugen die wechselnden Ströme und Spannungen elektromagnetische Wechselfelder, die sich von ihrem Entstehungsort aus radial ausbreiten und mit zunehmender Entfernung schwächer werden.

Magnetische und elektrische Felder wirken auf leitende Teile einer Applikation ein (zum Beispiel auf Leiterbahnen auf Leiterplatten, die wie Antennen wirken) und erzeugen zusätzliche Störungen in den Leitungen, die ihrerseits wieder EMI erzeugen (Bild 1). Da hier mehrere Watt Leistung umgewandelt werden, breiten sich die Störaussendungen in einem größeren Umkreis aus. Das Ausmaß der abgestrahlten Energie ist direkt proportional zur Stromstärke (I) und zur Fläche (A) der Schleife, in der der Strom fließt. Folglich trägt es zur EMI-Reduzierung bei, wenn die Fläche der Strom- und Spannungsschleifen verringert wird (Bild 2 und 3).

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