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Power-Tipps von TI, Teil 63 Eindämmung elektromagnetischer Störungen aus Offline-Netzteilen

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Bei jedem Produkt ist es erforderlich, den richtigen Mittelweg zwischen Kosten und Performance zu finden. Handy-Ladegeräte sind ein hervorragendes Beispiel hierfür. Kompromisse müssen bei der EMI-Filterung gemacht werden: Während es einerseits gilt, die Bauelementekosten zu minimieren, muss das Produkt andererseits die strengen Anforderungen bezüglich der Aussendung elektromagnetischer Störungen erfüllen.

Power-Tipps von TI, Teil 63
Power-Tipps von TI, Teil 63
(Bild: VBM-Archiv)

Bild 1 zeigt als Beispiel das EMI-Filter und die Leistungsstufe eines Netzteils. Wie schon in den Power Tipps 45 und 46 erläutert, entstehen beim Schalten hoher Spannungen Gleichtaktströme an parasitären Kapazitäten. Einige dieser Kapazitäten sind recht einfach zu visualisieren – so zum Beispiel die Streukapazität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Übertragers (C_Stray2).

Bild 1: Die stromkompensierte Drossel (L1) ist bei geringer Leistung möglicherweise nicht erforderlich.
Bild 1: Die stromkompensierte Drossel (L1) ist bei geringer Leistung möglicherweise nicht erforderlich.
(Bild: TI)

Bei anderen dagegen, so zum Beispiel bei der Streukapazität zwischen dem Kern des Übertragers und dem Chassis (C_Stray1), ist die Visualisierung nicht so einfach. Die erwähnten Gleichtaktströme fließen über die Verbindung zum Chassis, sei es über eine bewusst angebrachte galvanische Verbindung oder einfach durch kapazitive Kopplung. Wenn sich hier der Stromkreis zurück zur Eingangsquelle schließt, besteht das Produkt möglicherweise die EMV-Prüfung nicht.

Der übliche Weg, Gleichtakt-Störaussendungen einzudämmen, besteht darin, Gleichtaktströme im Übertrager (Bild 1) über C1 zurückzuleiten und zur Reduzierung der Stromstärke eine auch als Gleichtaktdrossel bezeichnete stromkompensierte Drossel (L1) hinzuzufügen. Das Problem hieran ist, dass das Produkt durch die stromkompensierte Drossel teurer und größer wird, was bei Großserien-Produkten geringer Leistung, und somit auch bei Handy-Ladegeräten, besonders unerwünscht ist.

Nachfolgend wird eine Reihe schrittweiser Modifikationen an den EMI-Filtermaßnahmen eines realen Designs beschrieben. Ziel war dabei der Verzicht auf die stromkompensierte Drossel. Bild 2 gibt die EMI-Messung im Ausgangszustand wieder. Dargestellt sind die Grenzwerte gemäß CISPR Klasse B sowie die beiden ersten Messungen. Wir entfernten anschließend die stromkompensierte Drossel L1 und den Gleichtaktkondensator C1 und führten neue Messungen durch. Dabei ergaben sich Emissionen von mehr als 30 dBµV über die Spezifikationen hinaus, verursacht von Gleichtaktströmen durch die Streukapazität des Übertragers (C_Stray1). Dieser Strom pflanzte sich bis in die sekundärseitigen Schaltungen und durch Streukapazitäten bis in das Chassis hinein fort.

Bild 2: Durch Einfügen des Kondensators C1 (4.700 pF) verbessern sich die EMI-Eigenschaften deutlich.
Bild 2: Durch Einfügen des Kondensators C1 (4.700 pF) verbessern sich die EMI-Eigenschaften deutlich.
(Bild: TI)

Mit einem Kondensator C1 von 4.700 pF konnten wir, wie im Diagramm gezeigt, eine deutliche Verringerung der Emissionen um 30 dBµV registrieren. Ursache für diese Verbesserung ist die Rückführung der Gleichtaktströme über den nachträglich eingefügten Kondensator C1. Mit C1 änderte sich außerdem die Frequenz, bei der die Störaussendungen ihr Maximum erreichen. Verursacht werden die Emissionen durch eine Resonanz der Magnetisierungs-Induktivität des Übertragers mit der gesamten Streukapazität am Drain-Anschluss des MOSFET.

Wenn C1 weggelassen wird und keine sekundärseitige Chassisverbindung existiert, liegt eine beträchtliche Impedanz in Reihe mit der Streukapazität C_Stray2, die hierdurch nicht wesentlich zur gesamten, an der Drain liegenden Streukapazität beiträgt. Ist C1 jedoch vorhanden, trägt C_Stray2 zur Gesamt-Streukapazität bei und reduziert die Resonanzfrequenz entsprechend.

Doch auch nach dem Hinzufügen von C1 wurden die EMI-Prüfungen nicht bestanden. Hauptursache hierfür ist die Streukapazität C_Stray1, in der die kapazitive Kopplung zum Chassis von allem, was mit dem Drain-Anschluss des MOSFET verbunden oder kapazitiv gekoppelt ist, enthalten ist. Dies betrifft somit Leiterbahnen, Snubber-Bauteile, Übertragerwicklungen und sogar den Kern des Übertragers, der eine kapazitive Kopplung zur Drain aufweist.

Bild 3: Dämpfungsmaßnahmen an T1 reduzieren das Schwingen der Drain-Spannung, das die elektromagnetischen Störungen verursacht.
Bild 3: Dämpfungsmaßnahmen an T1 reduzieren das Schwingen der Drain-Spannung, das die elektromagnetischen Störungen verursacht.
(Bild: TI)

Als nächstes gingen wir daran, die Störquelle in unserer Schaltung zu reduzieren. Bild 3 zeigt hierzu zwei Messungen der Spannung an der Drain von Q1 im Zeitbereich. Die Kurve mit den stärkeren Überschwingern gibt den Ausgangszustand wieder. Bei der zweiten, weniger stark ausschlagenden Kurve wurde an die Sekundärwicklung des Übertragers eine Dämpfungsschaltung angeschlossen (Bild 1). In der Zeitbereichs-Darstellung ist deutlich zu sehen, dass die Emissionen geringer ausfallen.

Bild 4 zeigt den Rückgang der gemessenen Störaussendungen um etwa 6 dB, begleitet von einer Verlagerung des Maximums zu einer niedrigeren Frequenz. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen reduzieren die Emissionen weiter, dann allerdings bereits auf Kosten des Netzteil-Wirkungsgrads.

Bild 4: Das reduzierte Schwingen am Drain-Anschluss von Q1 bewirkt eine weitere EMI-Eindämmung.
Bild 4: Das reduzierte Schwingen am Drain-Anschluss von Q1 bewirkt eine weitere EMI-Eindämmung.
(Bild: TI)

Vorteilhaft kann auch das Abschirmen des Übertragers sein. Der Grundgedanke hierbei ist, die Hochspannungs-Wicklung von den sekundärseitigen Schaltungen abzuschirmen und die Abschirmung mit der Rückleitung oder dem high-seitigen Teile der Primärschaltungen zu verbinden. Hierdurch wird verhindert, dass Gleichtaktströme in die sekundärseitigen Schaltungen und von dort zum Chassis fließen. Mit dem Anbringen der Abschirmung erzielten wir eine weitere Verbesserung um 6 dB und konnten die Emissionsvorschriften schließlich erfüllen.

Gleichtakt-Emissionen entstehen, wenn Hochspannungs-Signale auf Kapazitäten treffen und Ströme hervorrufen, die in das Chassis gelangen und zur Stromversorgung des Systems zurückfließen. Einleuchtende Möglichkeiten, die Störaussendungen zu verringern, sind das Reduzieren der geschalteten Spannung, das Ableiten des Stroms mithilfe einer Abschirmung oder eines Kondensators und/oder das Hinzufügen einer Serienimpedanz. Wir haben die beiden erstgenannten Methoden angewandt, um zu demonstrieren, dass ein Netzadapter geringer Leistung die EMI-Vorschriften durchaus auch ohne stromkompensierte Drossel einhalten kann.

Ich bedanke mich bei der Firma GCi Technologies für die Unterstützung bei diesem Projekt. Das Unternehmen nahm zahllose Änderungen am Übertrager vor, mit denen wir schließlich die EMI-Vorgaben erfüllen konnten. Im nächsten Power Tipp geht es um Synchrongleichrichter in lückenden Sperrwandlern. Sie finden sämtliche bereits erschienenen Power Tipps hier.

In den TI Power Lab Notes finden Sie Anmerkungen eines Designers zu seinen Netzteil-Designs. Weitere Informationen zu dieser und anderen Power-Lösungen gibt es außerdem auf www.ti.com/power-ca.

* Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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