Stromversorgungsdesign Grundlagen der EMV – Teil 2

Getaktete Stromversorgungen haben sich weitgehend durchgesetzt. Doch ihr Design ist alles andere als trivial. In einer losen Artikelserie wollen wir einige Grundlagen des Stromversorgungsdesigns beleuchten. Im Folgenden geht es um grundlegende Leitlinien zur Eindämmung elektromagnetischer Störungen.

In dieser zweiteiligen Serie untersuchen wir die Regeln und Vorschriften hinsichtlich elektromagnetischer Störungen (EMI) und die Arten von Störungen, die durch Schaltnetzteile erzeugt werden. Während sich der Teil 1 den Definitionen, Standards, internationalen Vorschriften und Übereinstimmungen widmet, geht es im Folgenden um grundlegende Leitlinien zur EMI-Eindämmung, die entweder eigenständig oder für andere Komponenten als Teil in einem größeren System angewendet werden.

Wie am Ende des ersten Teils beschrieben, gibt es zwei wesentliche Arten von EMI: leitungsgebundene und abgestrahlte. Leitungsgebundene EMI lässt sich weiter in Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterteilen.

Leitungsgebundene Störungen

Um leitungsgebundene EMI wirksam zu mindern, kommt es darauf an, das Gegentakt- und Gleichtaktstörungen getrennt zu behandeln. Siehe dazu das Kapitel »Verschiedene Kopplungsmechanismen« in Teil 1.

Gegentaktrauschen (Differential Mode Noise, Bild 1) lässt sich durch Bypass-Kondensatoren unterdrücken, die zwischen den stromführenden Hin- und Rückleitungen eingebaut werden. Die zu filternden Leitungen können sich am Eingang oder am Ausgang des Netzteils befinden. Die Bypass-Kondensatoren auf diesen Leitungen müssen in der Nähe der Anschlüsse angebracht sein, an denen sich die Störquelle befindet. Nur so lassen sich Störungen effizient unterdrücken. Dies gilt besonders für die Dämpfung derartiger Ströme bei hohen Frequenzen.

Die Dämpfung von Gegentaktströmen bei niedrigen Frequenzen rund um die Schaltfrequenz der Störquelle kann wesentlich größere Bypass-Kondensatoren erforderlich machen. Ein Keramikkondensator wäre dann nicht ausreichend. Keramikkondensatoren bis 22 μF eignen sich nur für die Filterung über die Niederspannungsausgänge von Schaltnetzteilen, aber nicht für Netzteile, bei denen Spannungsspitzen über 100 V auftreten. Elektrolytkondensatoren bieten hier eine hohe Kapazität und Nennspannung und sollten zum Einsatz kommen.

Um Gegentaktstörungen sowohl bei den niedrigen Schaltfrequenzen als auch bei den höheren Harmonischen (Oberwellen) in geeigneter Weise zu dämpfen, bestehen entsprechende Filter aus einer Kombination aus Elektrolyt- und Keramikkondensatoren.

Um Gegentaktstörungen noch weiter vermindern, kann eine Induktivität in Serie zur Stromzuführung eingefügt werden. Dadurch entsteht zusammen mit dem Bypass-Kondensator ein einstufiger LC-Tiefpassfilter.

Demgegenüber werden leitungsgebundene Gleichtaktströme werden am besten dadurch unterdrückt, dass je ein Bypass-Kondensator zwischen Hin- und Rückleitung zum Schaltnetzteil gegen Masse eingefügt wird (Bild 2). Diese Stromleitungen können sich am Eingang und/oder Ausgang des Schaltnetzteils befinden.

Eine weitere Unterdrückung von Gleichtaktströmen kann durch Hinzufügen gekoppelter Drosselspulen in Serie zu jeder Stromzuführung erfolgen. Die hohe Impedanz der gekoppelten Drossel zwingt die Gleichtakt-Ströme durch die Bypass-Kondensatoren.