Bei einem EMI-Eingangsfilter kommen Filterelemente sowohl für Gleichtakt- als auch für Gegentaktstörungen zum Einsatz, jedoch werden diese Elemente selten getrennt optimiert. Insbesondere für Anwendungen mit hohen Leistungen kann dies dazu führen, dass das EMI-Filter wesentlich größer ausgelegt wird als eigentlich erforderlich.
In diesem Artikel beschreiben wir eine einfache Methode zur Trennung von Gleichtakt- und Gegentakt-Störanteilen mittels einer Netznachbildung (LISN, Line Impedance Stabilization Network) mit zwei Ausgängen und eines Oszilloskops mit mindestens zwei Kanälen. Damit ist es möglich, Gleichtakt- und Gegentakt-Filterkomponenten getrennt zu optimieren und damit genauere Informationen für die Entwicklung eines optimalen Eingangsfilters zu gewinnen.
Elektromagnetische Störungen
Da hohe Ströme geschaltet werden, erzeugen Schaltnetzteile erhebliche Störungen. Die Wahl der SNT-Topologie ist daher von großer Bedeutung und beeinflusst das Filterdesign.
Beispielsweise erzeugt eine Dual-Interleaved-Boost-Topologie (Wandlerstruktur für Dual-Interleaved-Betrieb) weniger Störungen als ein einfacher Aufwärtswandler. Nach der Auswahl der Topologie sind mehrere Designparameter zu beachten, die den Störpegel beeinflussen. Ein Schlüsselparameter ist die Schaltfrequenz des Wandlers. Sehr häufig wird im Interesse einer kompakten Bauform eine hohe Schaltfrequenz gewählt.
Hohe Schaltfrequenzen können jedoch zu übermäßig hoher EMI-Belastung führen. Es ist daher wichtig, den Zusammenhang zwischen den Anstiegs- und Abfallzeiten des Schaltelements und den erzeugten elektromagnetischen Störungen zu verstehen.
Typischerweise sind schnelle Schaltelemente die erste Wahl. Heutzutage sind sogar Wide-Bandgap-Bauelemente (Bauelemente mit großer Bandlücke) auf SiC- oder GaN-Basis in Leistungswandler-Designs sehr verbreitet, da sie einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen. Solche schnellen Schaltelemente erhöhen die Störungsbelastung, wenn das Design nicht sehr sorgfältig auf deren Unterdrückung ausgelegt ist.
Neben der Festlegung der Designparameter ist es stets hilfreich, die parasitären Elemente im gesamten Design – einschließlich der Leiterplatte – zu minimieren. Beispielsweise erzeugt das Hochspannungsschaltelement zusammen mit einer Verbindung zu einem Metallgehäuse für die Kühlung eine parasitäre Kapazität, über die Gleichtaktstörungen aus dem System in die umgebende Schaltung gelangen können.
EMI-Eingangsfilter im Detail
Ein EMI-Eingangsfilter besteht typischerweise aus zwei Funktionseinheiten: eine zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und eine zur Unterdrückung von Gegentaktstörungen. Im Fall von AC/DC-Wandlern sind die wichtigsten Elemente der Gegentakt-EMI-Filterkomponente die Gegentakt-Induktivitäten und die X-Kondensatoren.
Bei der Gleichtakt-EMI-Filterkomponente sind dies die Gleichtaktdrossel und der Y-Kondensator. In einigen Fällen kann auf die Gegentakt-Induktivitäten verzichtet werden, da die Gleichtaktdrossel auch als Gegentakt-Induktivität fungieren kann.
Gleich- und Gegentaktstörungen
Die EMV-Norm verlangt, dass leitungsgebundene elektromagnetische Störstrahlung auf beiden Versorgungsleitungen gemessen werden. Dabei müssen die Spannungen bei jeder Frequenz innerhalb des gegebenen Frequenzbereichs unter dem spezifizierten Grenzwert liegen. Diese Messung wird nacheinander auf den beiden Versorgungsleitungen durchgeführt.
Während dies ausreicht, um die Anforderungen der Norm für leitungsgebundene EMI-Tests zu erfüllen, liefert es jedoch keinen Einblick in die Mechanismen der Störungsausbreitung, da bei der Messung eine Kombination aus Gleichtakt- und Gegentaktstörungen auf den Leitungen erfasst wird. Die Prinzipschaltung zeigt den dedizierten Verlauf des Störstroms innerhalb des Systems.
Der Gleichtakt-Störstromanteil Icm fließt vom Messobjekt (DUT, Device Under Test) auf beiden Leitungen in die Netznachbildung (LISN) und über den externen Massepfad wieder zurück zum Messobjekt, sodass im externen Massepfad die Summe der Ströme der beiden Leitungen fließt. Amplitude und Phase sind auf beiden Leitungen – der positiven und der negativen – gleich.
Der Gegentakt-Störstromanteil nimmt einen anderen Weg. Der Strom auf der positiven Leitung fließt in die Netznachbildung und auf der negativen Leitung zurück zum Messobjekt. Die beiden Ströme unterscheiden sich nur in der Phase; sie ist um 180 Grad versetzt, sodass sich die Ströme idealerweise gegenseitig auslöschen.
Mit nur wenig Mathematik ist es möglich, die Terme für Gleichtakt- und Gegentaktstörungen zu trennen. Mittels der Ströme auf den beiden Leitungen:
IP = ICMa + IDM
IN = ICMb – IDM
lassen sich leicht die Spannungen auf den beiden Leitungen berechnen:
VP = (ICMa + IDM) ⋅ ZLISN
VN = (ICMb − IDM) ⋅ ZLISN
Basierend auf dem Zusammenhang zwischen den Spannungen auf den beiden Leitungen und den Gleichtakt- und Gegentaktspannungen:
VP + VN = VCMa + VCMb
können nun die Gleichtakt- und Gegentaktspannung so berechnet werden:
VCM = VP + VN
VDM = ½ (VP - VN)
Die einfache Subtraktion ergibt einen Wert, der doppelt so hoch ist wie der Gegentakt-Störpegel, das heißt um 6 dB höher, was bei der Ergebnisauswertung berücksichtigt werden muss.
Diese einfache Berechnung erlaubt also die Unterscheidung zwischen Gleichtakt- und Gegentakt-Störkomponente (wobei vom Gegentaktergebnis 6 dB zu subtrahieren sind). Der Ansatz liefert die zuverlässigsten Ergebnisse, wenn der Messaufbau (Kabel, Komponenten der Netznachbildung und so weiter) möglichst symmetrisch ist. Die Störungen auf den beiden Leitungen müssen gleichzeitig gemessen werden.
Gleichtakt- und Gegentaktstörungen
Das Bild oben zeigt einen einfachen, aber effektiven Aufbau zur Trennung von Gleichtakt- und Gegentaktstörungen. Eine Netznachbildung mit zwei Ausgängen wird verwendet (oder alternativ zwei identische Netznachbildungen), um beide Versorgungsleitungen abzutasten. Die Signale werden von den beiden Kanälen eines Oszilloskops erfasst. Das Oszilloskop berechnet die Summen- und Differenzsignale mithilfe einer Fast Fourier Transformation (FFT), wodurch ein direkter Zugriff auf das Gleichtakt- und Gegentakt-Störsignal möglich ist.
Obwohl jede Asymmetrie zwischen den beiden Netznachbildungen sich in gewisser Weise auf das Messergebnis auswirkt, liefert diese Methode in der Praxis recht genaue Ergebnisse. Wichtige Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, sind die Verwendung von Kabeln mit derselben Länge sowie ausreichender Qualität, um zeitliche Verschiebungen oder Amplitudenverlust zu vermeiden, was sich direkt auf die Fähigkeit, die Störanteile zu trennen, auswirken würde.
Weiterhin sollte das Oszilloskop ein ausreichend rauscharmes Frontend besitzen, die direkte Eingabe von Frequenzparametern wie Start- und Stoppfrequenz und Auflösebandbreite erlauben und über eine ausreichend schnelle FFT verfügen.
Fallstudie
Bei der folgenden Demonstration des beschriebenen Lösungsansatzes dient ein einfacher Abwärtswandler als Messobjekt. Der Messobjekt-Eingangsfilter ist ein einfacher LC-Pi-Filter, der Gegentaktstörungen sehr effektiv dämpft. Der Messaufbau ist so ausgelegt, dass sich der LC-Pi-Filter einfach aktivieren oder deaktivieren lässt.
Auf der Leiterplatte befinden sich keine Gleichtaktfilter; daher ist eine externe Gleichtaktdrossel an die Leiterplatte angeschlossen. Der Abwärtswandler besitzt kein Gehäuse – die Leiterplatte ist einfach auf einen Isolierblock auf einer metallischen Masseplatte aufgesetzt. In diesem Messaufbau wird so die Erzeugung übermäßiger Gleichtaktstörungen vermieden.
Bei der ersten Messung (siehe Abbildung) wurden die Spitzenwerte im Amplitudenspektrum der Versorgungsleitungen dargestellt. Zuvor wurde mit einer Referenzpegelmessung der Störpegel des Systems bei ausgeschaltetem Messobjekt ermittelt. Die zusätzlichen 6 dB bei der Ermittlung der Gegentaktstörung wurden kompensiert, indem die Störanteile auf beiden Kanälen vor der Durchführung der FFT getrennt durch 2 geteilt wurden.
Für die Gleichtaktstöranteile wurde dagegen das unveränderte Ergebnis der Summengleichung verwendet, da der Gesamtbetrag der Gleichtaktstörungen der Summe auf den beiden Messkanälen entspricht.
Weitere Messungen
Die Spitze bei 300 kHz in der Bezugslinie wird vom System und nicht vom Abwärtswandler verursacht und kann bis mindestens 25 dBµV unberücksichtigt bleiben. Die hohe Störspitze der Gegentaktstörung bei 300 kHz (circa 65 dBµV) dagegen wird von der Schaltfrequenz des Abwärtswandlers verursacht.
Die erste Harmonische und alle höheren ungeraden Vielfachen dieser Harmonischen werden durch den reflektierten Rippelstrom verursacht, der im Wesentlichen für das Gegentaktspektrum verantwortlich ist. Das Gleichtaktspektrum weist ebenfalls einige Spitzen auf; diese werden nicht durch den Gegentaktfilter unterdrückt.
Zur Dämpfung der Amplitude der Grundwelle bei 300 kHz wird ein LC-Filter berechnet. Die berechnete Resonanzfrequenz des Filters ist 19,3 kHz, was eine Unterdrückung von etwa 40 dB bei der Schaltfrequenz bewirken sollte. Es handelt sich um einen Filter zweiter Ordnung; damit liegt die Dämpfung bei etwa 40 dB/Dekade. Die Messung in der entsprechenden Abbildung verdeutlicht die Wirkung des Filters auf das Spektrum.
Die Gegentaktstörungen werden bis 10 MHz sehr effektiv reduziert – im Gegensatz zum Messaufbau ohne Filter erfolgt eine Dämpfung um bis zu 30 dB. Insbesondere die Grundwelle bei 300 kHz und die diversen Harmonischen weisen eine wesentlich niedrigere Amplitude auf.
Bei höheren Frequenzen ist der Filter weniger effektiv; Gegentaktstörungen werden nur um bis zu 10 dB gedämpft. Gleichtaktstörungen werden nicht wesentlich reduziert, da der Filter für die Gegentaktunterdrückung ausgelegt ist. Zur Dämpfung von Gleichtaktstörungen wird ein weiterer Filter hinzugefügt, nämlich eine Gleichtaktdrossel von Würth Elektronik.
Die Gleichtaktstörungen werden insbesondere im Bereich von 2 bis 60 MHz reduziert. Darüber hinaus werden auch Gegentaktstörungen gedämpft, da die Gleichtaktdrossel nicht ideal ist und die resultierende Streuinduktivität als Gegentaktfilter wirkt.
Eine weitere Reduzierung der Gegentaktstörungen kann sich auch aus dem nicht optimierten Messaufbau ergeben (Gleichtaktdrossel nicht auf der Leiterplatte), wobei die zusätzliche Dämpfung durch asymmetrische Komponenten hervorgerufen werden kann. Die entsprechende Abbildung zeigt jedoch deutlich, dass die Gleichtaktstörungen mit der Gleichtaktdrossel sehr effektiv gedämpft werden.
Fazit
Ein effektives EMI-Eingangsfilter-Design ist für die Erfüllung der EMI-Normen für leitungsgebundene Störungen bei Schaltnetzteilen von entscheidender Bedeutung. In vielen Fällen besteht der EMI-Filter aus einem Gleichtakt- und einem Gegentaktfilter. Beide Komponenten müssen entwickelt und optimiert werden. Präzise Informationen über die Gleichtakt- und Gegentaktstöranteile erleichtern das Design und die Optimierung von EMI-Eingangsfiltern erheblich.
Mittels einer Netznachbildung mit zwei Ausgängen (oder alternativ zwei identischen Netznachbildungen) und einiger Berechnungen an einem Oszilloskop lassen sich Gleichtakt- und Gegentaktstörungen direkt am Oszilloskop voneinander trennen. Damit erhalten Entwickler ein effektives Werkzeug zur Optimierung der beiden Komponenten eines EMI-Filters mithilfe der FFT-Funktion des Oszilloskops – ein Messgerät, auf das kein Entwickler von Versorgungsschaltungen verzichten kann.
