Auswahl von Schaltregler-Modulen EMV-Eigenschaften selbst untersuchen

Das Black-Box-Modul spart dem Entwickler Zeit und misst das EMV-Verhalten mit wenig Aufwand.
Das Black-Box-Modul spart dem Entwickler Zeit und misst das EMV-Verhalten mit wenig Aufwand.

Entwickler können Spannungsversorgungen als Black-Box-Modul kaufen, müssen dabei aber auf das Fachwissen des Herstellers vertrauen. Mit wenig Aufwand lässt sich zumindest das EMV-Verhalten messtechnisch überprüfen.

EMV umfasst verschiedene Aspekte und wird im folgenden Beitrag als Oberbegriff verwendet. Dazu gehören leitungsgeführte Störungen (Conducted Emissions), gestrahlte Störungen (Radiated Emissions) sowie Störfestigkeit (Burst, Surge, ESD usw.).

Was die Emission angeht, ist die EMV leistungselektronischer Baugruppen besonders schwierig in den Griff zu bekommen: Die schnellen Schaltvorgänge verursachen hochfrequente elektromagnetische Felder, die in Form von leitungsgeführten Störungen, gestrahlten Störungen und als Nahfeld nach außen treten.

Dieser Beitrag soll dem Entwickler konkrete Hinweise geben, wie sich die Emission solcher Module im Vorfeld mit einfachen Mitteln überprüfen lässt. Dadurch kann vermieden werden, Module mit ungünstigen EMV-Eigenschaften auszuwählen, die bei der späteren EMV-Zertifizierung des Gerätes erheblichen zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand bedeuten können.

Herstellerangaben zur EMV

Der erste Schritt der EMV-Auswahl besteht in der Auswertung der entsprechenden Herstellerangaben im Datenblatt. In aller Regel treten schon hier die ersten Probleme auf: Entweder macht der Hersteller gar keine Angaben zum Thema EMV, die Angaben sind »schwammig« formuliert oder es ist unklar, unter welchen Testbedingungen die Angaben ermittelt wurden. Selbst wenn Herstellerangaben verfügbar sind, ist noch nicht sichergestellt, dass diese für die angedachte Anwendung repräsentativ sind: Die bereitgestellten Messergebnisse könnten sich beispielsweise auf Volllast beziehen, in der geplanten Anwendung wäre dies evtl. ein eher seltener Betriebszustand. Je nachdem, welche Schaltregler-Topologie verwendet wurde, könnte der Vollast-Fall dem Worst Case entsprechen – muss er aber nicht. Hinzu kommt, dass EMV-Eigenschaften ganz allgemein von sehr vielen Parametern (Schaltung, Kabel, Leiterplatte, Gehäuse etc.) beeinflusst werden.

Emissionsverhalten auf der Versorgungsleitung messen

In den allermeisten Fällen ist es daher sehr hilfreich, eigene Messungen zur Untersuchung der EMV-Eigenschaften der in Frage kommenden Power-Supply-Module durchzuführen. Der Testaufbau sollte dafür möglichst nah an der späteren Applikation liegen, aufgrund der hohen Abhängigkeit des EMV-Verhaltens vom Testaufbau. Viele Messungen zur Störfestigkeit lassen sich sehr gut mit überschaubarem Messtechnikaufwand im eigenen Hause durchführen, sind aber nicht Gegenstand dieses Beitrages.

Die tendenziell etwas anspruchsvollere Untersuchung des Emissionsverhaltens mit »Labormitteln« soll im Folgenden genauer erläutert werden.

Der prinzipielle Vorgang der Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Störungen an einem Schaltregler ist in Bild 1 dargestellt. Die schnellen Schaltvorgänge innerhalb des Schaltreglers rufen breitbandige EM-Felder hervor, die in Form der nachfolgenden drei Phänomene zu EMV-Problemen führen:

  • Leitungsgeführte Störungen: Auf den Versorgungs- und Ausgangsleitungen des Schaltreglers werden HF-Ströme angeregt. Die durch das Schalten der Eingangsspannung hervorgerufene Netzrückwirkung generiert primär Gegentakt-Störungen (Differential Mode, DM), durch parasitäre Kopplungen werden auch Gleichtakt-Störungen (Common Mode, CM) eingeprägt.
  • Gestrahlte Störungen: EM-Felder werden von der Schaltregler-Baugruppe ausgesendet. Sofern es sich nicht um sehr große Baugruppen handelt, wird diese Abstrahlung hauptsächlich durch die auf den Kabeln angeregten HF-Ströme hervorgerufen.
  • Elektrische und magnetische Nahfelder: In der unmittelbaren Umgebung des Schaltreglers sind teilweise sehr intensive elektrische und/oder magnetische Felder zu beobachten. Ursächlich sind hierfür typischerweise die steilen Potenzialsprünge im Schaltknoten oder die steilen Stromabrisse in den internen Stromschleifen.

Fast alle gängigen Normen (zum Beispiel EN 55011, EN 55022) verlangen eine Überprüfung zumindest der leitungsgeführten und gestrahlten Störungen, Nahfelder werden häufig kaum beachtet. Wenn es sich bei der Schaltregler-Baugruppe beispielsweise um ein Netzteil handelt, werden die HF-Ströme auf der Versorgungsleitung bzw. die HF-Spannung auf einem definierten Abschluss im Rahmen der EMV-Prüfung nachgemessen und mit den einschlägigen Grenzwerten verglichen.

Messaufbau

Ein (nicht ganz normkonformer) Precompliance-Messaufbau ist in Bild 2 zu sehen: Im Vordergrund ist links der Prüfling (DUT), ein 3-W-Leistungsmodul, sowie rechts die angeschlossene Last, ein 3,3-Ω-Widerstand, zu sehen. Die Versorgungsleitungen, die von links zum Prüfling führen, sind im Hintergrund an eine Netznachbildung (HM 6050-2 LISN) angeschlossen. Die Aufgabe des LISN (Line Impedance Stabilization Network) besteht im Wesentlichen aus drei Aspekten:

  • Störungen aus dem Niederspannungsnetz auszufiltern und eine „saubere“ 230-V-Versorgung bereitstellen.
  • Einen definierten HF-Abschluss (hauptsächlich 50 Ω gegen GND) jeweils für den L- und N-Leiter bilden.
  • Die HF-Spannung, die durch den Prüfling auf die 230-V-Versorgung aufgeprägt wird, auf einen 50-Ω-Messgeräteeingang auskoppeln.

Die beiden letzten Aufgaben werden für den zu messenden Leiter über die BNC-Buchse auf der rechten Seite des LISN-Frontpanels realisiert, von wo ein Koax-Kabel zum Eingang des Spektrumanalysators führt. Der jeweils andere Leiter wird über einen internen 50-Ω-Abschluss im LISN terminiert. Es sind grundsätzlich zwei Messungen erforderlich, um den Störspannungspegel sowohl für den L- als auch für den N-Leiter zu ermitteln.

Der hier verwendete HMS-X Spektrumanalysator [1] hat eine entsprechende EMV-Option und damit unter anderem auch die normkonformen CISPR-Filter-Bandbreiten (Resolution-Bandwidth, zum Beispiel –6 dB Bandbreite = 9 kHz von 150 kHz bis 30 MHz). Behelfsweise kann aber auch mit ähnlichen Standard-Bandbreiten gemessen werden. Obwohl das LISN über einen eingebauten Transienten-Limiter verfügt, wurde ein externer Transienten-Limiter dem Eingang des Spektrumanalysators vorgeschaltet. Beide Varianten erfüllen ihren Zweck: Den Schutz des empfindlichen Messgeräte-Eingangs vor potenziell zerstörerischen Spannungsspitzen.

Der Spektrumanalysator wurde im Empfängermodus betrieben und die Messwerte über eine Software per USB-Anschluss ausgelesen. Grundsätzlich könnte die Messung auch direkt auf dem Spektrumanalysator zur Anzeige gebracht werden. Der Einsatz einer geeigneten Software bietet jedoch einige Vorteile, wie zum Beispiel die Möglichkeit, Korrekturwerte für die Einfügungsdämpfung des LISNs und/oder des Transienten-Limiters zu berücksichtigen.

In Bild 3 ist das Ergebnis der Störspannungsmessung auf dem L-Leiter des Power-Moduls zu sehen. Da die mittels Peak-Detektor ermittelten Messwerte im unteren Frequenzbereich deutlich über dem Quasi-Peak-Limit für Klasse-B-Geräte liegen, müsste hier eine Nachmessung mit Quasi-Peak-Detektor durchgeführt werden. Die gemessenen Quasi-Peak-Werte lagen bei diesem Prüfling jedoch nur ca. 1 dB unter den Peak-Werten. So muss angenommen werden, dass die Grenzwerte gemäß EN 55022 (wie im Datenblatt behauptet) nur für Klasse A eingehalten werden. Allerdings gibt das Datenblatt keine Auskunft darüber, ob das Power-Modul Klasse A oder Klasse B der Norm erfüllen soll.

Mit vergleichsweise günstigem Messequipment und sehr überschaubarem Arbeitsaufwand lässt sich auf diese Weise eine quantitative Aussage bezüglich der Störspannung auf den Versorgungsleitungen gewinnen. Obwohl die Messtechnik normkonform ist, muss mit einem gewissen Messfehler gerechnet werden, da der Prüfaufbau nicht exakt den Vorgaben der EN 55022 entspricht. Allerdings ließe sich dieses Problem mit geringem Aufwand unter Einsatz eines Holztisches und verschiedener Aluminium-Platten lösen. Je genauer sich der Prüfaufbau an den normativen Vorgaben orientiert, umso näher kommen die Messergebnisse an die einer normkonformen Messung (zum Beispiel im Prüflabor) heran.

Führt man diese Messung an allen zur Auswahl stehenden Power-Modulen für verschiedene Lastfälle (etwa Volllast, 50 % und Leerlauf) durch, ergibt sich ein recht guter Eindruck, welches der Module wohl die wenigsten Probleme hinsichtlich der leitungsgeführten Störungen bei der späteren EMV-Zertifizierung erwarten lässt.
Wenn auch die Messung der leitungsgeführten Störungen auf dem Netzkabel zweifellos der »Klassiker« ist, lässt sich diese Messung selbstverständlich auch auf anderen Leitungen durchführen. Die einschlägigen Normen verlangen beispielsweise nicht selten die Messung der geleiteten Störungen auch auf Datenleitungen.