Schwerpunkte

Elektromagnetische Störungen

Filter für DC/DC-Wandler

28. April 2015, 10:28 Uhr   |  Ralf Higgelke


Fortsetzung des Artikels von Teil 4 .

Gemessene Funkstörspannung

Bild 9: Oszillogramm des Wechselspannungsanteils am Eingang des Power-Moduls
© Würth Elektronik eiSos

Bild 9: Oszillogramm des Wechselspannungsanteils am Eingang des Power-Moduls

Folgend wird die Funkstörspannung exemplarisch an einem Evaluation-Board mit dem MagI³C-Power-Modul »171020601« gemessen. Bereits im Vorfeld kann man mit einem Oszilloskop den Wechselspannungsanteil am Eingang des Power-Moduls ermitteln (Bild 9). Mittels einer Analyse im Zeitbereich kann zu Beginn des Filterentwurfs eine Abschätzung des zu erwartenden Störspektrums erfolgen.

Bild 9 zeigt einen Wechselspannungsanteil von 80 mV, gemessen bei einer Eingangsspannung des Power-Moduls von 7,5 V, einem mittleren Eingangsstrom von 1,2 A und einem mittleren Laststrom von 2 A. Schaltregler haben die Eigenschaft, aus Sicht der Spannungsversorgung einen negativen differenziellen Widerstand darzustellen [6], denn der Eingangsstrom steigt mit sinkender Eingangsspannung. Aus diesem Grund wird die Funkstörspannung unter Worst-Case-Bedingungen – minimale Eingangsspannung, maximale Last – gemessen.

Bild 10: Funkstörspannung ohne Eingangsfilter
© Würth Elektronik eiSos

Bild 10a: Funkstörspannung ohne Eingangsfilter

Ausschlaggebend zur Bewertung dieser Art der Störaussendung bleibt jedoch eine Messung der Funkstörspannung, wie sie in einem EMV-Labor durchgeführt werden kann. Bild 10a zeigt das Ergebnis der Funkstörspannungsmessung ohne Eingangsfilter. Dieses Power-Modul arbeitet mit einer Taktfrequenz fsw von 370 kHz, und genau dort wird im Störspektrum mit 68 dBµV die höchste Amplitude gemessen. Die Amplitudendichte der Störspannung fällt mit etwa 40 dB/Dekade, sodass ab der 15. Oberwelle kein maßgeblicher Störpegel mehr zu sehen ist. Aber erst ab der 9. Oberwelle liegt der Störpegel mehr als 10 dB unter der Grenzwertlinie für den Mittelwertdetektor (Average Limit; dunkelblau).

Mittels Gleichung (2) wird folgend ein LC-Eingangsfilter berechnet. Aufgrund der relativ niedrigen Schaltfrequenz wird eine Spule mit geringer Eigenresonanzfrequenz und einem Induktivitätswert von 4,7 µH gewählt und die Filterkapazität zu 7,4 µF berechnet. Als Filterkondensator wird der nächstgrößere Kapazitätswert von 10 µF verwendet, zum Beispiel der »eiCap WCAP-ASLL« von Würth Elektronik.

Eine Berechnung des maximalen Eingangsstromes erfolgt mittels Gleichung (4). Hierzu wird der Wirkungsgrad des Evaluation-Boards benötigt, der messtechnisch ermittelt wird und an dieser Stelle einen Wert von 91% hat. Demzufolge liegt der maximale Eingangsstrom bei 1,83 A. Basierend auf den Berechnungen der Filterinduktivität und dem Eingangsstrom, kann jetzt eine passende Spule gewählt werden. Die Wahl fällt auf eine ungeschirmte Spule der Serie »PD2« in der Bauform 5820.

Bild 10: Funkstörspannung mit Eingangsfilter
© Würth Elektronik eiSos

Bild 10b: Funkstörspannung mit Eingangsfilter

Bild 10b zeigt das Ergebnis der Funkstörspannungsmessung mit dem eingebauten Filter. Der gemessene Störpegel bei der Schaltfrequenz 370 kHz hat einen Wert von 30 dBµV, die Pegel aller Oberwellen sind kleiner als 20 dBµV und damit ausreichend bedämpft. Der Mittelwertpegel bei 370 kHz entspricht dem Spitzenwertpegel und liegt 18 dB unter dem Mittelwertlimit von 47 dBµV. In der Praxis ist bei einer Messung solcher leitungsgebundener Störungen ein Störabstand in dieser Größenordnung vollkommen zufriedenstellend, um für diese Messung die Konformität zu bestätigen.

Die Messung der Funkstörspannung soll verdeutlichen, dass eine Betrachtung des Störpotenzials im Zeitbereich hilfreich ist, jedoch eine Untersuchung im Frequenzbereich unverzichtbar bleibt.

Abschließend kann mittels der Gleichung (3) für den Filter noch ein Dämpfungsglied berechnet werden. Rd ist demnach 0,686 Ω. Je größer der Wert des Dämpfungswiderstandes, desto höher ist die Dämpfung der Filterresonanz. Hier kann der nächstgrößere Widerstandswert der E12-Reihe von 1 Ω gewählt werden. Für den Dämpfungskondensator wird ein Wert zwischen dem Fünf- und Zehnfachen von Cf gewählt, beispielsweise 47 µF. Dort eignet sich etwa der »eiCap«-Keramikkondensator der Serie WCAP-CSGP.

Welche EMV-Norm ist anwendbar? 
Die Messungen in diesem Artikel wurden nach der Norm DIN EN 55016-2-1 durchgeführt. Mithilfe einer Netznachbildung wurde die unsymmetrische Spannung auf der Versorgungsleitung ausgekoppelt und der asymmetrischen Spannung gleichgesetzt, die mit dem Grenzwert verglichen wird. Der Grenzwert wurde der Norm DIN EN 55022 entnommen; für Geräte, die im Wohn- und Gewerbebereich Einsatz finden gelten die Grenzwerte der Klasse B. Für Komponenten der Stromversorgung – dazu zählen alle Arten von Schaltreglern – gibt es keine direkt anwendbare EMV-Norm. Die gesamte Applikation, in welcher der Schaltregler verwendet wird, muss in eine Gerätekategorie eingeordnet und nach der entsprechenden Produkt- beziehungsweise Produktfamiliennorm getestet werden. Die Produktfamiliennorm DIN EN 55022 für Einrichtungen der Informationstechnik wurde hier nur bezüglich der Grenzwerte herangezogen, die so ebenfalls in der Fachgrundnorm DIN EN 61000-6-3 angegeben werden. Die Fachgrundnormen können herangezogen werden, wenn keine spezielle Norm für das Gerät existiert. 
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1. Filter für DC/DC-Wandler
2. Design eines LC-Eingangsfilters
3. Design eines Pi-Eingangsfilters
4. Messung der Funkstörgrößen
5. Gemessene Funkstörspannung

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