Startseite > Power > Power Management > Den Störemissionen zu Leibe gerückt

Elektromagnetische Interferenzen

Den Störemissionen zu Leibe gerückt

5. September 2018, 10:55 Uhr | Iris Stroh

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SiC, GaN

Auch Fionn Sheerin, Senior Product Marketing Engineer in der Analog Power and Interface Division von Microchip, weist auf die Vorteile von neuen Technologien hin: »Die Leistungsschalter, die höhere Frequenzen ermöglichen, wie Trench-FETs der nächsten Generation, GaN-FETs oder SiC-Bausteine, sind von Natur aus schneller, benötigen niedrigere Gate-Ladungen, minimieren Rückströme und erzielen geringere Schaltverluste. Diese Bausteine können die Stromspitzen in Teilen der Schaltung stark reduzieren und die damit verbundene EMV-Erzeugung verringern.«

Aber: Höhere Frequenzen führen wie oben bereits beschrieben häufig zu höheren Spannungs- und Stromänderungen im System (dU/dt und dI/dt), oft mit Oberschwingungen in Hunderten von MHz, wo EMI-Normen nur schwer zu erfüllen sind. Hier gibt Sheerin den Hinweis, dass durch eine gute Gehäusetechnik und ein gutes Platinen-Layout die Probleme abgemildert werden können. Und nachdem der Betrieb mit höheren Frequenzen bekanntermaßen kleinere Bauteile ermöglicht, sei ein strafferes Platinenlayout realisierbar. Sheering betont: »Die hochfrequenten Stromschleifen müssen extrem klein sein, um EMV-Probleme zu vermeiden, aber oft ist dies bei sorgfältiger Planung möglich.«

Aus Sheerings Sicht sind höhere Frequenzen nicht der einzige positive Trend in der Leistungsumwandlung. Bei der Integration beispielsweise würden inzwischen auch magnetische Komponenten integriert, wie das Leistungsmodul MIC45205 von Microchip zeigt. Darüber hinaus arbeiten die Unternehmen auch an der Erhöhung des Verhältnisses zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, um den Anforderungen in Systemen mit 48 V und verschiedenen PoL-Spannungen gerecht werden zu können. »Dazu kommen noch digitale Steuerfunktionen zur Verwaltung von Diagnoseberichten oder um ein dynamisches Verhalten zu ermöglichen«, so Sheering weiter. Für diese Entwicklung sei der MCP19123 ein gutes Beispiel. Und zu guter Letzt weist er noch auf die immer häufiger eingesetzten Leistungsmodule hin, denn sie hätten einerseits die Benutzerfreundlichkeit deutlich erhöht und andererseits auch »EMI-Bedenken gelöst«.

ZVS ist ein Muss

Ajay Hari, Apps Engineering Manager in der AC-DC Business Group von ON Semiconductor, erklärt, dass sich das Schalten mit hohen Frequenzen im Bereich der AC/DC-Leistungswandlung fest etabliert hat. Wide-Bandgap-Bausteine (WBG) wie GaN und SiC haben seiner Aussage nach diesen Trend noch beschleunigt. Auch Hari ist überzeugt: »Techniken wie Zero-Voltage-Switching (ZVS) sind für siliziumbasierte Super-Junction-FETs oder GaN- oder SiC-Komponenten ein Muss, um einen hohen Wirkungsgrad im Hochfrequenzbetrieb zu erhalten.« Der Vorteil: ZVS-Topologien (Schalten bei Nullspannung), auch Soft-Switching-Topologien genannt, eliminieren hochfrequentes Überschwingen auf dem Hochspannungsschaltknoten und die du/dt-Übergänge im Schaltknoten sind im Vergleich zu einer hart geschalteten Topologie deutlich besser unter Kontrolle. »Sobald eine Soft-Switching-Topologie ausgewählt ist, können auch subtile, aber bekannte Techniken wie sorgfältiges Transformatorendesign mit Abschirmung, geeignetes EMI-Filterdesign und Frequenz-Dithering eingesetzt werden, um den EMI/EMC-Standards zu entsprechen.«

Gehäusetechnologie
ist ein Schlüsselelement

Gary ist der Überzeugung, dass das Design von Leistungswandler-IC-Gehäusen ein Schlüsselelement darstellt, wenn es um EMI-Probleme geht. In diesem Zusammenhang verweist er auf die HotRod-Gehäusetechnologie von Texas Instruments, eine Flip-Chip-on-Leadframe (FCOL)-Technik, mit der die Gesamtgröße verringert wird und Bonddrähte von Leistungsbauelementen wegfallen. Letztere »verursachen typischerweise hohe parasitäre Induktivitäten und verrauschte Schaltwellenformen«, so Gary. Laut seiner Aussage ermögliche das HotRod-Gehäuse optimierte Schaltübergänge, wodurch die leitungsgebundene und abgestrahlte EMI-Signatur drastisch reduziert wird und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften wesentlich erleichtert wird.

Aus der Sicht von Michael Piela, Principal Engineer Discrete Marketing bei Toshiba Electronics Europe, können EMI-Probleme durch eine sorgfältige Auswahl der Standardkomponenten wie MOSFETs minimiert werden. In diesem Zusammenhang verweist er auf eine MOSFET-Serie, die genau dahingehend optimiert wurde, »um EMI-bedingte Nacharbeiten zu minimieren und somit den Elektronik-Entwicklern wertvollen Zeitaufwand einzusparen«, so Piela. In der Hochspannungsklasse 600 und 650 V geht es um die DTMOS-V-Varianten (Superjunction-MOSFETs), die bei Toshiba im Single-EPI-Deep-Trench-Prozess hergestellt werden. »Diese MOSFET-Serie wurde mit der Zielsetzung entwickelt, einerseits effizientes Schaltverhalten zu ermöglichen und andererseits die EMI-Belastung im Vergleich zu vorherigen Generationen zu senken«, so Piela weiter. Zur Verbesserung des EMI-Verhaltens wurde bei diesen MOSFETs nicht einfach nur ein erhöhter Gate-Widerstand eingefügt, sondern komplexere Eingriffe in die Gate-Struktur vorgenommen. Die DTMOS V finden in Schaltnetzteilen ihren Einsatz, zum Beispiel in der PFC (Power-Factor-Control), aber auch als primärseitiger Schalter.

Neue Schaltungstopologie

»Mit A-SRB (Advanced Synchronous Reverse Blocking) ist eine neue Schaltungstopologie zur Reduktion von Schaltverlusten in Leistungswandlern wie Wechselrichter oder PFC verfügbar«, erklärt Dr. Ralf Hauschild, Principal Engineer Mixed Signal Technology bei Toshiba Electronics Europe. Laut seiner Aussage reduziert diese Technologie die durch die Reverse-Recovery-Ladung sowie den Umladestrom der Ausgangskapazität (Coss) hervorgerufene Einschalt-Stromspitze. Dies führt zu einem saubereren Schaltvorgang mit reduzierten Strom- und Spannungsspitzen. Reduzierte Schaltverluste ermöglichen zudem den Betrieb mit einer höheren Schaltfrequenz. »Für den Anwendungsfall eines Wechselrichters ermöglicht dies bei gleichbleibender Filtergröße die Erzeugung eines Wechselstroms mit höherer Qualität, d.h. mit weniger harmonischen Komponenten«, erklärt Hauschild abschließend.

Auf EMI-konforme Lösungen getrimmt

Maxim hat vor Kurzem EMI-konforme Lösungen aus der Himalaya-Produktfamilie für Industrie- und allgemeine Anwendungen vorgestellt. Allerdings handelt es sich bei der Familie um Wandler, die typischerweise mit Schaltfrequenzen von weniger als 1 MHz arbeiten.

John Woodward, Executive Business Manager für Industrial Power bei Maxim Integrated, erklärt: »Maxims Schaltwandler und -module der Himalaya-Produktfamilie zielen auf Anwendungen ab, die im herausfordernden industriellen Umfeld arbeiten sowie strengen EMV-Anforderungen genügen müssen. Dafür müssen die Bauteile in Aufbau und Anwendung robust sein. Aus Sicht der Entwicklung kommt es darauf an, wie das Bauteil definiert wird und wie diese Definition in Silizium umgesetzt ist. Der Fokus liegt darauf, wie die Leistung durch den Chip fließt und wie das in der Schaltung aussehen wird. Aus Sicht des Anwenders liegt das Hauptaugenmerk darauf, wie sich das Bauteil in den Schaltplan der Anwendung einfügt und welche Auswirkungen es auf die umgebenden Komponenten hat, wenn es die gewünschte Leistung liefert. Hierfür sind der Stromfluss und das Layout des Bauteils und seiner unterstützenden Komponenten entscheidend.«

Aus seiner Sicht setzen sich immer mehr Kunden mit dem Problem der Störabstrahlung auseinander, da die Leistungsdichte der Designs immer höher wird – d.h. der Platz auf der Leiterplatte, auf dem sie arbeiten können, wird immer geringer, aber der Leistungsbedarf der umliegenden Bauelemente tendenziell immer höher. »Um bei der Prüfung der Standard-EvKits die Anforderungen von CISPR22 zu erfüllen, arbeitet Maxim mit EMV-Zertifizierungslaboren zusammen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das IC oder das Modul nicht die Ursache für mögliche EMI-Probleme auf der Leiterplatte sind, sofern der Anwender die empfohlenen Richtlinien für die Platzierung und das Layout befolgt.«