Considering EMI at an early design stage yields a shorter time to market

Der anhaltende Trend zu kleineren, leichteren und kompakteren und trotzdem leistungsstärkeren Stromversorgungen führt zu einer höheren Leistungsdichte und Schaltfrequenz, welche als Nebeneffekt leider EMI (Elektromagnetische Interferenz) Probleme mehren , die widerum zum schon überfüllten elektromagnetischen Spektrum beitragen.

Folglich drängen Regierungsbehörden überall auf der Welt auf strengere Vorschriften und Regulierungen, um elektromagnetische Störungen auf ein akzeptables Level zu begrenzen. Die Europäische Wirtschaftsgemeinschaft (EWG) mit zahlreichen Mitgliedern wie Italien, Deutschland, Luxemburg, Frankreich um nur ein paar zu nennen, wartet mit ihren eigenen Regeln und Verordnungen auf. Eine, die als „EMV Richtlinie“ bekannt ist, beschäftigt sich mit den speziellen Anforderungen, die von Hersteller erfüllt werden müssen, um seine Produkte in den europäischen Markt importieren zu dürfen. Der Zusammenschluss vieler europäischer Länder zu einem großen Markt schafft Erleichterung für Hersteller, denn sie müssen für den Import ihrer Produkte nicht mit jeder einzelnen Regierungsbehörde konform sein. Stattdessen muss nur eine dem Produkt entsprechende übergeordnete Richtlinie erfüllt werden, um dieses ohne separate Zulassungen in jeglichen Mitgliedsstaat zu importieren .

Die EMV-Richtlinie, die vor einigen Jahren in Kraft getreten ist, ist an sich breit angelegt und nicht spezifisch, aber beinhaltet Vorschriften, die für alle Mitgliedsstaaten bindend sind. Das vorrangige Interesse besteht darin, die elektromagnetischen Interferenzen, die von elektrischen Geräten generiert und ausgesendet werden, vertretbar gering zu halten und gleichzeitig immun gegen negative Einwirkungen aus der Umgebung zu machen. Auf diese Weise wird einem Produkt ein ausreichend gutes Design zugesichert, dass es seinem bestimmten Zweck entspricht und darüber hinaus, dass bedacht wurde den Nutzer beim Gebrauch des Produktes gegen Verletzung zu schützen. EMI Probleme generieren gewöhnlich einen Engpass für die meisten Netzteil-Hersteller im Rennen um die Markterschließung. Da der Erste das größte Stück des “Kuchens“ abbekommt, ist die elektromagnetische Interferenz die größte Herausforderung für den Ingenieur.

DieDirektive stellt auch sicher, dass Geräte zu einem gewissen Grad immun gegen elektromagnetische Störungen sind. Immunitätstests umfassen Störstrahlung und Störfestigkeit, wobei geprüft wird, ob das Gerät einem typischen Level von elektrischen Geräuschen – übertragen entweder durch die Luft oder durch Eingangs- und Ausgangskabel - widerstehen kann. Die schärfsten Tests, um Immunität zu beweisen sind der ESD-Test (elektrostatische Entladung) und der EFT-Test (schnelle transiente elektrische Störgrößen). ESD simuliert die elektrostatische Entladung, die eine Person an ein Gerät induzieren kann, besonders wenn sie an einem trockenen Tag über einen Teppichboden läuft. Sowohl Kontakt- als auch Luftentladung werden mit der der Schutzklasse des Geräts entsprechenden Stärke angelegt. Der Surge-Test simuliert den Effekt von Blitzen und zerstörerischen Leitungsstörungen an elektronischen Geräten und ist der wohl anspruchvollste Test von den drei genannten. Es ist bei diesem Test nicht unüblich, Surge-Spannungen bis zu mehreren Kilovolt an das Gerät anzulegen. Der EFT-Test, der Line-Switching, Switch-Bouncing und induktive Leitungstransienten simuliert, ist ein weiterer anspruchsvoller Test, der mit hoher Frequenz durchgeführt wird.

Es gibt zahlreiche Herangehensweisen, um Probleme in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit zu lösen. Gleich die Ursache selbst anzupacken, ist dabei der effektivste und wirtschaftlich effizienteste Weg. Filter und Abschirmungstechniken in Verbindung mit passender Erdung zu verwenden, funktioniert ebenfalls.

Elektromagnetische Interferenzen treten in zwei Formen auf, es gibt leitungsgebundene und feldgebundene Störungen. Die erstgenannten werden durch die Input und Output Kabel übertragen und die zweitgenannten durch den freien Raum. Leitungsgebundene Störgeräusche werden außerdem in Differential Noise und Common Mode Noise unterteilt. Differential Noise fließt in beide Richtungen entlang der Phase und des Nullleiters, und Common Mode Noise fließt zwischen der Phase und dem Erdleiter. Typischerweise sind leitungsgebundene Emissionsprobleme unter 2 bis 3 MHz Differential Mode und über 3MHz Common Mode Noise. Common Mode Noise ist aus mehreren Gründen bei niedrigen Frequenzen nicht so dominant wie Differential Mode. Die störende Induktivität der Leitungsbahn filtert diese und Common Mode Noise ist gewöhnlich kapazitiv gekoppelt, was niedrigfrequente Komponenten reduziert.

Schaltgeräte (entweder FET oder BJT) generieren die meisten elektrischen Störgeräusche. Hohe dI/dT begünstigen, dass Störgeräusche durch andere umliegende Schaltkreise rückgekoppelt werden. Drosselung der Schaltfrequenz bringt Verbesserungen, allerdings auf Kosten höherer Schaltverluste. Manchmal sind Ferritkerne, die am Drain des FET platziert werden, ein guter Trick. Durch falsche Anwendung von passiven Kühlkörpern für FETs, können Störgeräusche manchmal gemehrt werden, da jene als Antennen fungieren können. Es ist aber möglich diesen Effekt zu minimieren, wenn man sie mit der Masse oder dem Erdleiter verbindet. Durch Minimierung des Loop-Bereichs zwischen Massewiderstand, Primärwicklung und FET, wird die Störgeräuschspanne um mehrere dB verbessert. Der Loop-Bereich beim Gate-Driver-Schaltkreis ist genauso kritisch und sollte ebenfalls minimiert werden.

Die richtige Konstruktion von Transformatoren macht einen großen Unterschied bei der EMV Verträglichkeit. Wickeltechniken wie z.B. verschachtelte primäre und sekundäre Wicklungen verbessern die Kopplung und tragen zu besseren Ergebnissen bei. Niedrige Wicklungskapazität ergibt ebenfalls geringere EMI. Manchmal machen ein Faradayscher Käfig und Bauchbänder mit dem passenden Anschluss den Unterschied. Letzteres ist nötig bei der Flyback-Topologie im Hinblick auf den beträchtlichen Streufluss, der durch die Lücke im Kern verursacht wird, die widerum eingeführt wurde, um Sättigung zu vermeiden.

Sekundär-Gleichrichter leisten auch ihren Beitrag beim Problem mit den Störgeräuschen. Wenn man bedenkt, dass die Sekundärseite mehr Strom trägt als die Primärseite, sind Sekundär-Gleichrichter potentielle Urheber von EMI. Der von der Sekundärwindung abgedeckte Loop-Bereich, der Gleichrichter und entweder ein weiterer als Schwungrad dienender Gleichrichter oder ein Kondensator (je nach Topologie) sollte minimiert werden. RC-Glieder über den Dioden oder manchmal auch über der Sekundärwindung helfen ebenfalls, die Erzeugung von Störgeräuschen zu minimieren. Solche Beschaltungselemente sollten so nah wie möglich am entsprechenden Gerät lokalisiert werden, um möglichst effektiv zu sein. Desweiteren sollte ein induktionsfreier Widerstand verwendet und in seinen Werten optimiert werden, um den Leistungsverlust zu limitieren. Falls RC-Glieder nicht ausreichend sind, werden Ferritkerne mit einer eckigen Hystereseschleife zu den Kabeln der Diode hinzugefügt. Zudem ist die richtige Wahl des Gleichrichters ebenso wichtig. Es wird angeraten, solche mit sehr schneller Wiederbereitschaftszeit zu verwenden.

Filtern von EMI sollte bei der Lösung des Störgeräusche-Problems die letzte Option sein. Wenn alle potentiellen Quellen minimiert wurden, kann die Anzahl der Stufen und Größe der Filter signifikant reduziert werden. Die für die Störfilterung verwendeten Komponenten sind gewöhnlich passiv, aber massig. Drosselspulen und X- und Y-Kondensatoren nehmen den meisten Platz weg. Idealerweise sollten die Filter in der Nähe des AC Eingangs platziert werden, und wenn es die Anwendung zulässt, sollte das Inlet direkt auf die Platine gelötet sein, um lose Kabel zu vermeiden. Diese könnten nämlich möglicherweise Störungen aufnehmen und den Filter umgehen, was diesen wiederum ineffektiv macht. Gute Wicklungstechnik für die EMI Drossel hilft, die Wirksamkeit des Filters zu verbessern. Sie sollten eng gewickelt sein, um Wicklungskapazitäten zu minimieren und das Versprühen von magnetischer Energie an die Umgebung zu verhindern. Wenn es das Budget zulässt, sind Ringkerndrosseln die erste Wahl, denn diese sind besser hinsichtlich Konstruktion und thermischer Wirkung.

EMI Drosseln sollten auch auf mögliche Sättigung überprüft werden, besonders bei niedrigen Eingangsspannungen von 100V. Eine gesättigte Drossel fungiert als ein kurzer Draht, der dem Störgeräusch keine Impedanz jeglicher Art gibt. Gegebenenfalls hilft die Ausrichtung der Drossel, die Reaktion zu verbessern. Differentialdrosseln, die senkrecht aufeinander platziert werden, erlangen eine bessere Wirkung als in einer anderen Anordnung. X- und Y-Kondensatoren sind ebenfalls wichtig. X-Kondensatoren halten differentiale Störgeräusche davon ab, außerhalb des Netzgeräts zu fließen und in das AC Stromnetz zu gelangen. Y-Kondensatoren führen die Gleichtakt-Störgeräusche zur Erde ab. Manchmal erreicht man durch einen X-Kondensator, der direkt über das Inlet geschaltet ist, eine signifikante Verbesserung. In Fällen wenn sich dies als nicht so effektiv herausstellt, wird eine korrekt terminierte Schirmung verwendet, um das Aufnehmen von Störgeräuschen zu vermeiden.

Masse und Erdleiter sollten eine geringe Impedanzverbindung zum Chassis haben. Ein Keramikkondensator, der zwischen Masse und Erdleiter auf der Sekundärseite geschaltet ist, kann die Störstrahlung verbessern. Kabelbäume sollten weg von Ausgangsdrosseln geführt werden, besonders wenn diese aus Ferritstäben und sekundären Gleichrichtern bestehen. Der magnetische Fluss solcher Geräte könnte mit dem Kabel rückkoppeln und die leitungsgebundene und abgestrahlte EMI vergrößern. Wenn möglich, sollte man eine Ferrithülse um das Ausgangskabel legen, gerade bevor dieses das Gehäuse verläßt. Solch eine Ferrithülse formt eine Gleichtaktdrossel und hilft außerdem bei der Reduktion von Ausgangswelligkeit.

Kühlkörper, egal ob auf der Primär- oder Sekundärseite, sollten korrekt abgeschlossen werden. Gewöhnlich werden Kühlkörper auf der Primärseite mit der negativen Leitung verbunden und Kühlkörper auf der Sekundärseite mit der sekundären Masse.

Die komplette Serie von GlobTek Netzteilen mit Ausgangsleistungen von 10 Watt bis einigen hundert Watt hat ein optimiertes EMI Filter Design, mit dem leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen auf mindestens das Level reduziert werden, um FCC und CISPR Grenzwerte zu erfüllen. Bitte besuchen Sie für mehr Informationen die GlobTek Website at www.globtek.de oder kontaktieren Sie den Vertrieb unter +49 251 134 96 372.


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