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Stromversorgungsdesign

Grundlagen der EMV – Teil 2

10. Juni 2016, 9:30 Uhr | Don Li, CUI

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Abgestrahlte Störungen

Abgestrahlte EMI lässt sich durch Verringern der HF-Impedanz und eine kleinere Fläche der Antennenschleife (Antennenfaktor) unterdrücken. Dies wird durch eine minimale Schleifenfläche zwischen Stromzuführung und Rückleitung erreicht (Bild 3).

Die Induktivität einer Leiterbahn auf einer Platine lässt sich minimieren, indem die Bahn so breit wie möglich und parallel zu ihrer Rückleitung geroutet wird. Da die Induktivität einer Drahtschleife proportional zu deren Fläche ist, verringert sich die Induktivität auch durch eine kleinere Fläche zwischen der Stromleitung und deren Rückleitung. Auf Leiterplatten lässt sich diese Fläche am besten verkleinern, wenn die Stromleitung und die Rückleitung übereinander auf benachbarten Platinenlagen (Layern) angeordnet sind. Eine kleinere Schleifenfläche verringert nicht nur die HF-Impedanz, sie schränkt auch die Wirksamkeit der Antenne ein, da die kleinere Schleifenfläche ein vermindertes elektromagnetisches Feld erzeugt.

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Hinzu kommt, dass eine Masseleitung an den äußeren Enden der Platine die abgestrahlte EMI erheblich unterdrückt, vor allem wenn sich diese Leitung direkt unter den Störquellen befindet. Um abgestrahlte EMI weiter zu unterdrücken, lassen sich Metallabschirmungen nutzen. Dabei wird die Störquelle in ein geerdetes leitfähiges Gehäuse eingebracht. Die Schnittstelle zur störungsfreien Außenumgebung erfolgt über In-Line-Filter. Gleichtakt-Bypass-Kondensatoren müssen ebenfalls über das leitfähige Gehäuse gegen Masse zurückgeführt werden.

EMI-Eindämmung in Schaltnetzteilen

Zuverlässige Verkabelung sollte zur und von der Stromversorgung erfolgen. Die Leitungen müssen von geeigneter Größe sein und so kurz wie möglich gehalten werden; Schleifen sollten minimiert werden. Ein- oder Ausgangsleitungen in der Nähe der Stromversorgung sind zu vermeiden, um die Aufnahme von Störungen zu unterbinden.

Masseverbindungen sollten sicher mit Erdungsleitungen verbunden sein und so kurz wie möglich gehalten werden. In Schaltkreisen oder Systemen, die Stromtransienten induzieren, ist es entscheidend, dass der Impulsstrom lokal über Entkopplungskondensatoren eingespeist wird und sich nicht bis zur Stromversorgung weiter ausbreitet. Diese Kondensatoranordnung sollte HF-Keramik- und Speicherkondensatoren (Bulk-Kondensatoren) enthalten.

Falls es der Betrieb erlaubt, können die Taktfrequenz oder die steigenden/ fallenden Flanken verlangsamt werden (kleineres du/dt bzw. di/dt). Ist dies nicht möglich, sollten Schaltkreise mit höheren Takt-/Schaltraten in der Nähe des Versorgungseingangs platziert werden, um Stromtransienten zu verringern. Analog- und Digitalschaltkreise sollten sowohl bezüglich der Stromversorgungs- als auch Signalleitungen physikalisch voneinander isoliert werden.

Masseschleifen sollten vor allem in komplexen Systemen beseitigt werden. Dies lässt sich über einen einzigen Massepunkt oder einen Masse-Layer (Ground Plane) erreichen (Bild 4). Sind mehrere Schaltkreise vorhanden, sollten diese über getrennte Leitungen versorgt und/oder durch eine Induktivität in der Versorgungsleitung entkoppelt werden (Bild 5).

Ferritperlen lassen sich auf DC-Versorgungsleitungen platzieren, um das System und die Stromversorgung vor Wechselströmen (AC) zu isolieren. Dies kann Oberschwingungen durch Schalten verhindern, die sonst den Systembetrieb stören würden. Zudem wird das vom System erzeugtes Rauschen daran gehindert, die Stromversorgung zu erreichen.

Auf der Eingangsseite lässt sich vor der Stromversorgung ein weiterer EMI-Filter hinzufügen, wenn der integrierte EMI-Filter für eine bestimmte Anwendung nicht ausreichen sollte. Eine Ferritperle kann auch auf der Masseleitung zwischen dem AC-Eingang und der Stromversorgung platziert werden.

Besonderheiten bei DC/DC-Wandlern

Obwohl viele der oben genannten Techniken zur EMI-Eindämmung sowohl für AC/DC-Netzteile als auch DC/DC-Wandler in einem System gelten, sind bei DC/DC-Wandlern noch weitere Schritte zu beachten.

Für die Schaltfunktion in DC/DC-Wandlern ist ein Impulsstrom am Eingang erforderlich. Dieser wird durch einen lokalen Speicherkondensator bereitgestellt, der sich in der Nähe des schaltenden Bausteins befindet. Da viele DC/DC-Schaltwandler sehr kompakt sind, enthalten sie meist nicht genügend Kapazität. Somit sind zusätzliche Kapazitäten am Eingang anzubringen, um Gegentaktstörungen zu verringern. Für eine noch bessere Filterleistung wird ein PI-Filter empfohlen. Die zusätzlichen Kondensatoren dienen dazu, das Gleichtaktrauschen zu reduzieren.