Schaltregler

EMV-Störungen von Speicherdrosseln minimieren

6. September 2022, 9:30 Uhr | Von Ranjith Bramanpalli
Würth Aufmacherbild EMV
© Würth Elektronik/WEKA Fachmedien

Schaltregler kommen typischerweise nicht ohne Speicherinduktivitäten aus. Wenn man ihren negativen Einfluss auf das EMV-Verhalten minimieren möchte, gibt es mehrere Ansatzpunkte wie Abschirmung, Wicklungsanfang und Schaltübergänge.

DC/DC-Schaltregler sind im Energiemanagement von entscheidender Bedeutung, da mit ihnen effizientere Schaltnetzteile möglich werden. Speicherdrosseln stellen in Schaltreglern kritische Komponenten dar, auch wenn im Entwicklungsprozess oft nur ihre rein elektrischen Eigenschaften, wie RDC (Gleichstromwiderstand), RAC (Wechselstromverluste) oder Kernverluste, beachtet werden. Die elektromagnetischen Strahlungseigenschaften werden dabei häufig übersehen. In Bild 1 ist ein typischer DC/DC-Wandler mit den Schaltern S1 und S2 dargestellt.

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DC/DC-Wandler
Bild 1. Typischer Aufbau eines getakteten DC/DC-Wandlers mit den Schaltern S1 und S2.
© Würth Elektronik

Leistungsinduktivitäten in getakteten Stromversorgungen

In Schaltnetzteilen können Leistungsinduktivitäten mit einer Vielzahl unterschiedlicher Kernmaterialien und Wicklungstypen konstruiert und aufgebaut werden. Außerdem lassen sich Leistungsdrosseln als ungeschirmt, halbgeschirmt oder geschirmt klassifizieren. Jede Art der Abschirmung hat eindeutige Vor- und Nachteile, die ihre Anwendungsbereiche bestimmen.

Ein Schaltnetzteil erzeugt durch die Schaltvorgänge eine Wechselspannung in der Drosselspule. Da eine Drosselspule rein praktisch betrachtet wie eine Schleifenantenne arbeiten kann, hängt die elektromagnetische Abstrahlung von einer Reihe von Parametern ab. Dazu gehören das Kern- und Abschirmungsmaterial sowie der Beginn der Wicklung.

Die elektromagnetische Strahlung, die von einer Leistungsdrossel aufgrund der Schaltfrequenz und ihrer Oberwellen im unteren Frequenzbereich von 100 kHz bis 30 MHz ausgeht, ist nicht nur von der Abschirmung der Spule, sondern auch von den Wicklungseigenschaften abhängig. Im Gegensatz dazu hängt die elektromagnetische Strahlung im oberen Frequenzbereich (30 MHz bis 1 GHz) stärker von den Abschirmeigenschaften des Kernmaterials, der Schaltfrequenz und der Grundkonstruktion ab.

Abstrahlungsverhalten von Spulen

Wie bereits erwähnt, ist die Abstrahlung elektromagnetischer Felder von Speicherdrosseln in DC/DC-Wandlern nicht zu vernachlässigen. Dies gilt insbesondere, wenn man die Art und den Abstand der benachbarten Komponenten sowie deren Anfälligkeit für magnetische Kopplung berücksichtigt. Da das Bewusstsein der Ingenieure für dieses potenzielle EMV-Problem gewachsen ist, haben die Komponentenhersteller darauf reagiert und ihre Produktpalette erweitert, indem sie zusätzlich zu den ungeschirmten Standardspulen auch geschirmte und halbgeschirmte Spulen anbieten. Geschirmte Spulen werden so hergestellt, dass die Wicklung vollständig von einem Formteil aus magnetischem Abschirmmaterial umschlossen ist. Bei ungeschirmten Spulen liegen die Spulenwicklungen typischerweise frei und es gibt auch keine magnetische Abschirmung. Aufgrund der ungehinderten Ausbreitung der elektromagnetischen Felder sind dies typischerweise die stärksten Quellen für EMV-Störungen. Bei halbgeschirmten Spulen werden häufig magnetische Materialien mit Epoxidharz auf die freiliegenden Wicklungen aufgebracht.

Geschirmte Spulen weisen geringe elektromagnetische Emissionen auf

Der Hauptvorteil einer geschirmten Spule ist, dass ihre elektromagnetischen Emissionen im Vergleich zu halbgeschirmten und ungeschirmten Spulen relativ schwach sind. Bild 2 zeigt das grundlegende Emissionsverhalten dieser drei Grundtypen.

Bild 3
Bild 2. H-Feld-Messergebnisse von ungeschirmten, halbgeschirmten und geschirmten Spulen.
© Würth Elektronik

Einer der technischen Zwänge, mit denen jeder Entwickler kämpfen müssen, ist die Größe. Geschirmte Spulen weisen im Vergleich zu ungeschirmten Spulen mit vergleichbaren Abmessungen eine geringere Induktivität und Sättigung sowie höhere Herstellungskosten auf. Entwickler mit weniger Erfahrung sind versucht, aufgrund der geringeren Größe, der niedrigeren Kosten und der höheren Sättigungsströme eine ungeschirmte Spule zu verwenden. Diese Wahl führt jedoch zu einer Reihe von EMV-Problemen, die nach der Entwicklungsphase nur schwer zu beheben sind.

Würth Elektronik ist einer der wenigen Hersteller, der halbgeschirmte Spulen anbietet, die den Spagat zwischen Platzbedarf, elektrischen Eigenschaften und EMV erfolgreich meistern. Diese eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen die an die Spulen angrenzenden Bauteile nicht sehr empfindlich gegenüber Strahlungen sind.

Halbgeschirmte Spulen sind durchaus eine Alternative

Die hervorragenden Sättigungseigenschaften der halbgeschirmten Speicherdrossel WE-LQS, Baugröße 8040 (744 040 841 00), sind in Bild 3 im Vergleich zu einer geschirmten Spule der Serie WE-PD, Baugröße 7345 (744 777 10) und einer ungeschirmten Spule der Serie WE PD2, Baugröße 7850 (744 775 10), dargestellt.

Bild 4
Bild 3. Vergleich des Sättigungsverhaltens einer geschirmten (grau), halbgeschirmten (schwarz) und nicht geschirmten (rot) Spule.
© Würth Elektronik

  1. EMV-Störungen von Speicherdrosseln minimieren
  2. Der Anfang der Wicklung hat große Auswirkungen

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