EMV-Labor Schaltregler erfolgreich entstören

Spezialisierte Messlabors schaffen Abhilfe bei Störausstrahlung.
Spezialisierte Messlabors schaffen Abhilfe bei Störausstrahlung.

DC/DC-Wandler erreichen heute zwar sehr hohe Wirkungsgrade und schrumpfen immer weiter beim Bauvolumen, doch mit den steigenden Schaltfrequenzen nimmt ihre Störausstrahlung schnell zu. Um die Wirksamkeit der Abhilfemaßnahmen zu überprüfen, haben sich spezialisierte Messlabors etabliert.

Das Schlagwort „Elektromagnetische Verträglichkeit“ ist genau genommen eine Schönfärberei. Denn gesprochen wird darüber vor allem, wenn sich Unverträglichkeiten zeigen. Viele Baugruppen senden Störungen aus und rufen dadurch bei anderen in ihrer Nachbarschaft Fehlfunktionen hervor; umgekehrt reagieren sie ihrerseits oft empfindlich auf Einflüsse von außen. Mit geeigneten Maßnahmen sucht man beides zu unterbinden, d.h. auf der „Sender“-Seite die Aussendung der Störungen zu unterdrücken, auf der „Empfänger“-Seite die Beeinflussbarkeit zu minimieren. Dafür muss man die Mechanismen genau kennen. Hieraus hat sich in den letzten Jahrzehnten eine ganz eigene Wissenschaft entwickelt. EMV ist ein herausforderndes Aufgabengebiet für hochkarätige Spezialisten geworden.

Zu den Baugruppen, die besonders starke Störungen aussenden, gleichzeitig aber relativ unempfindlich für von außen hereinkommende Störungen sind, gehören Schaltregler aller Art. Dank schnellerer Transistoren konnten die Schaltfrequenzen immer höher getrieben werden. Damit können die zugehörigen passiven Bauelemente – Speicherdrossel, Speicherkondensator, Entstördrosseln und -kondensatoren – kleiner ausgelegt werden, was Bauvolumen und Gewicht vermindert und die Kosten senkt.

Gefordert ist höchstmöglicher Wirkungsgrad. Weil die weitaus meisten Verluste während des Schaltvorgangs entstehen, sucht man diesen so kurz wie irgend möglich zu machen. Je kürzer die Schaltzeit, desto mehr Oberschwingungen werden aber erzeugt und desto mehr wirken sich die unvermeidlichen parasitären Kapazitäten, Induktivitäten und Verkopplungen aus. Je höher die Schaltfrequenz, desto weniger entspricht folglich das tatsächliche Verhalten noch der theoretischen Schaltung auf dem Papier.

Die Kunst des Entwicklers besteht jetzt darin, den Aufbau so zu optimieren, dass die parasitären Effekte minimal bleiben. Wenn sie sich schon nicht beseitigen lassen, so will man sie zumindest verstehen und gezielt einbeziehen. Die Anordnung der einzelnen Bauelemente auf der Leiterplatte ist überaus kritisch; das erfordert sehr viel Erfahrung. Erschwerend wirkt dazu noch der hohe Kostendruck. Es rechnet sich, mehr Intelligenz zu investieren anstatt höheren Bauteilaufwand zu betreiben.

Nun kann man einen Schaltregler nicht isoliert betrachten. Er ist immer Teil eines Gesamtsystems. Wie stark man seine Störungen herunterdämpfen muss, hängt davon ab, wie empfindlich die benachbarten Funktionen reagieren. Übertriebene Maßnahmen würden die Kosten unnötig erhöhen. Man will nicht mit Kanonen auf Spatzen schießen. Deshalb sieht jeder Einzelfall anders aus. So bieten die Hersteller häufig unterschiedliche Varianten an, mit höherem oder geringerem Entstöraufwand, je nach Anwendungsfall.

Verschiedene Störungsarten unterscheiden

Zunächst einmal ist zu klären, welche Arten von Störungen auftreten und auf welchem Wege sie sich ausbreiten. In erster Linie geht das über die Leitungen (Conducted Emissions). Bei DC/DC-Wandlern transportieren diese im theoretischen Idealfall nur Gleichströme bzw. Gleichspannungen; in der Praxis überlagern sich immer Wechselströme bzw. -spannungen, im Fachjargon „Ripple & Noise“ genannt. Obwohl diese beiden Begriffe fast immer in einem Atemzug genannt werden, handelt es sich doch um zwei unterschiedliche Phänomene. Ersteres ist die Welligkeit im Takt der Schaltfrequenz, erzeugt durch das periodische Laden und Entladen der Speicherkondensatoren des Wandlers. Bei aufwendigeren Topologien mit Vollweggleichrichtung hat der Ripple die doppelte Frequenz. Üblicherweise meint man damit den Ausgangs-Ripple. Es kann aber auch Ripple auf dem Eingangsstrom auftreten, genannt Reflected Ripple Current; dieser ist insbesondere bei der Zusammenschaltung mehrerer Wandler in seiner Auswirkung nicht zu unterschätzen.

Bei aufwendigeren Topologien mit Vollweggleichrichtung hat der Ripple die doppelte Frequenz. Üblicherweise meint man damit den Ausgangs-Ripple. Es kann aber auch Ripple auf dem Eingangsstrom auftreten, genannt Reflected Ripple Current; dieser ist insbesondere bei der Zusammenschaltung mehrerer Wandler in seiner Auswirkung nicht zu unterschätzen.„Noise“ ist in diesem Zusammenhang nicht mit „Rauschen“ zu übersetzen (das wären statistische Schwankung, hier kein Thema), sondern es handelt sich um hochfrequente Störungen mit komplexer Wellenform – hohe Harmonische der Schaltfrequenz mit sehr breitem Spektrum (Bild 1), erzeugt durch das Schalten der Transistoren in Verbindung mit parasitären Induktivitäten.Je härter, sprich schneller die Transistoren schalten, desto mehr Noise entsteht.

Beim Design eines DC/DC-Wandlers gilt es daher, das Optimum zwischen noch akzeptablem Noise und maximalem Wirkungsgrad zu finden. Bild 2 zeigt ein typisches Ripple&Noise-Signal. Das hier annähernd sinusförmige Signal ist der Ripple, die überlagerten Störspitzen sind der Noise.

Abhilfe schaffen klassische LC- bzw. CLC-Filterschaltungen (auch Pi-Filter genannt) an Ein- und Ausgang. Darin kommen stromkompensierte Filterdrosseln, sogenannte Common Mode Chokes – kurz CMC – zum Einsatz. Sie summieren durch ihre gleich- bzw. gegengerichteten Felder die Störungen im Idealfall gegen Null. Damit das funktioniert, ist es allerdings sehr wichtig, die Richtung der Störströme zu genau zu kennen, um die richtige Filterdrossel – Gleichtakt oder Gegentakt – auszuwählen.

Die Störungen breiten sich aber nicht nur über die Leitungen aus. Denn diese wirken bei den hohen Frequenzen (ab der Größenordnung 30 MHz) als Antennen. Sie strahlen elektromagnetische Wellen ab, mit nicht zu unterschätzender Reichweite (Radiated Emissions). Die Abhilfe dagegen besteht in großen Masseflächen auf der Leiterplatte und gut leitfähigen Gehäusen. Die Filter wirken im Inneren, bevor die Leitungen das Gehäuse verlassen. Das Ausmaß der Filtermaßnahmen wird für DC/DC-Wandler üblicherweise durch die Normen EN 55022 bzw. die EN 55015/FCC Part 15 bestimmt. Ob dann „Class A“ oder die strengere „Class B“ zu erfüllen ist, hängt von der Applikation und den geplanten Einsatzbedingungen ab. Ist jedoch ein universeller Einsatz angedacht, sollte auf jeden Fall „Class B“ angestrebt werden. Ein Patentrezept für den idealen EMV-Filter gibt es nicht. Hier ist eine Menge Erfahrung und oft auch viel Experimentieren der einzige Weg zum Erfolg.