Würth eiSos EMV-Filter – für DC/DC-Schaltregler optimiert

Damit Stromversorgungen einen hohen Wirkungsgrad erzielen, ist zunächst die Verlustleistung zu reduzieren. Schaltnetzteile und DC/DC-Schaltregler sorgen für eine hohe Effizienz, können aber bei nicht optimiertem Schaltungsdesign vermehrt Funkstörspannungen aussenden. Abhilfe schaffen Eingangsfilter.

Von Von Ranjith Bramanpalli,  Application Engineer,  Würth Elektronik eiSos

Ob Schaltnetzteil oder DC/DC-Schaltregler, jede Art von getakteter Stromversorgung verursacht eine breitbandige Störaussendung in Form von Störspannung und Störfeldern, die andere elektrische Geräte in ihrer Funktion beeinträchtigen kann. Haupt-ursache für die Störspannung ist der Strom am Eingang, der mit der Taktfrequenz des Schaltreglers durch den Eingangskondensator des Schaltreglers fließt und über den ESR einen Spannungsabfall URippel hervorruft. Dieser wiederum besteht aus einem proportionalen Anteil (durch den ESR) und einem integrierten Anteil (durch die Kapazität).

Störspannungen messen

Abhilfe schafft ein Eingangsfilter, das die Störspannung in seiner Amplitude dämpft, Oberwellen unterdrückt und die Funkstörspannung auf einen akzeptablen Wert reduziert. Beispielsweise legt die Fachgrundnorm EN61000-6-4 bei 150 kHz einen Grenzwert des Quasispitzenwertes von 79 dBμV fest. Der derzeitige Markt für passive Bauelemente bietet ein breites Portfolio an vorgefertigten Filtern, vermarktet mit hoher Einfügedämpfung. So werden zum Beispiel Einfügedämpfungswerte zwischen 70 und 100 dB deklariert, die in der Praxis jedoch nur selten erreichbar sind, weil solche Filter in einem 50-Ω-System vermessen wurden und die Impedanzen der Stromversorgungen von diesen Werten abweichen. Es empfiehlt sich also, ein individuelles Eingangsfilter zu entwickeln. Dazu sollte zunächst die Störart bekannt sein, dabei unterscheidet man zwischen Gegentakt- und Gleichtaktstörungen. Zur Unterdrückung der Gegentaktstörungen wird am Eingang des Schaltreglers ein Filter implementiert. Bereits entwicklungsbegleitend kann die Messung der Störspannung mit einer LISN (Line Impedance Stabilization Network) und einem Spektrumanalysator durchgeführt werden.

Bild 1 zeigt den Prüfaufbau eines solchen Messverfahrens.
In einem solchen Aufbau sind die reinen Gegentaktstörungen messbar, weil das Bezugspotential die Schaltungsmasse, nicht die Bezugserde ist. Aufgabe der LISN ist die Auskopplung der Störspannung als reine Wechselgröße. Das interne Tiefpassfilter der LISN verhindert eine Störung anderer am Versorgungsnetz angeschlossener elektrischer Geräte. Bild 2 zeigt die so gemessene Störspan-nung UStör in dBμV eines DC/DC-Abwärtsreglers bei einer Schaltfrequenz von 2 MHz, einer Eingangsspannung von 10 V und einem Eingangseffektivstrom von 0,7 A. Der Störspannungspegel UStör ist durch folgenden Ausdruck in dB definiert (Formel 1):

Deutlich sichtbar ist die Grundschwingung, korrespondierend zur Schaltfrequenz. Die harmonischen Oberschwingungen, die bis in den hohen MHz-Bereich reichen, fallen in der Amplitude ab, liegen jedoch noch über dem Grenzwert. Mit 116 dBμV ist die Grundschwingung in ihrer Amplitude am größten. Anhand dessen lässt sich URippel bestimmen (Formel 2). Somit liegt ein URippel von 631 mV vor, wodurch ein Eingangsfilter sichtlich nötig wird.