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Grundlagen Elektromagnetische Störungen durch Variieren der Schaltfrequenz verringern

| Autor: Kristin Rinortner

Modulieren der Schaltfrequenz der Stromversorgung, um Störsignalenergie auf Seitenbänder zu verteilen und die Spitzenwerte der Oberschwingungen wirksam zu dämpfen.

Elektromagnetische Störungen durch Variieren der Schaltfrequenz verringern
Elektromagnetische Störungen durch Variieren der Schaltfrequenz verringern
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
Haben Sie auch schon einmal Schaltungen auf ihr Störverhalten getestet, nur um festzustellen, dass Sie – gleichgültig, welche Filtermaßnahmen Sie auch ergreifen – immer noch um einige dB außerhalb der Spezifikation liegen? Wir wollen Ihnen hier eine Technik vorstellen, die Ihnen vielleicht hilft, die EMV-Anforderungen zu erfüllen oder möglicherweise auch Ihr Filterdesign zu vereinfachen.

Bei der hier vorgestellten Methode wird die Schaltfrequenz der Stromversorgung moduliert, um Störsignalenergie auf Seitenbänder zu verteilen und aus einer schmalbandigen Störsignalsignatur eine breitbandige Signatur zu machen, wobei die Spitzenwerte der Oberschwingungen wirksam gedämpft werden. Die gesamten elektromagnetischen Störungen werden also nicht verringert, sondern nur umverteilt.

 Formel 1: Modulationsindex Formel 1: Modulationsindex

Bei einer sinusförmigen Modulation lassen sich die Modulationsfrequenz (fm) und der Bereich, über den die Schaltfrequenz der Stromversorgung variiert wird (Δf), beeinflussen. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Größen wird durch den Modulationsindex β ( Formel 1) beschrieben.

 

 Bild 1a: Durch Modulieren der Stromversorgungs-Schaltfrequenz wird die Störsignalsignatur gespreizt Bild 1a: Durch Modulieren der Stromversorgungs-Schaltfrequenz wird die Störsignalsignatur gespreizt

Bild 1a zeigt, wie sich die Veränderung des Modulationsindex' bei sinusförmigen Signalen auswirkt. Bei β=0 erfolgt keine Frequenzverschiebung und es ist nur eine Spektrallinie vorhanden. Bei β=1 beginnt sich die Frequenzsignatur zu spreizen, wobei die Mittenfrequenzkomponente um 20% gefallen ist. Bei β=2 hat sich die Signatur noch weiter gespreizt und die größte Frequenzkomponente beträgt 60% vom ursprünglichen Fall.

Zur Quantifizierung der in diesem Spektrum enthaltenen Energie lässt sich die Theorie der Frequenzmodulation anwenden. Nach der Carson-Regel ist der größte Teil der Energie in einer Bandbreite von 2 * (Δf + fm) enthalten. Bild 1b zeigt noch höhere Modulationsindices und macht deutlich, dass eine Dämpfung der Störsignal-Spitzenwerte um mehr als 12 dB möglich ist.

 Bild 1b: Bei höheren Modulationsindices ist eine Dämpfung der Störsignal-Spitzenwerte um mehr als 12 dB möglich. Bild 1b: Bei höheren Modulationsindices ist eine Dämpfung der Störsignal-Spitzenwerte um mehr als 12 dB möglich.

Die Auswahl der Modulationsfrequenz und der Frequenzverschiebung sind ein wichtiger Aspekt. Zunächst einmal sollte die Modulationsfrequenz höher sein als die Bandbreite des EMV-Messempfängers, so dass dieser nicht beide Seitenbänder gleichzeitig erfasst. Wenn Sie allerdings eine zu hohe Frequenz wählen, ist der Regelkreis der Stromversorgung unter Umständen nicht mehr in der Lage, die Schwankung ausreichend zu begrenzen, wobei die Ausgangsspannung in der Folge ebenso schnell schwankt.

Außerdem kann die Modulation hörbare Störungen in der Stromversorgung verursachen. Daher wählt man typischerweise eine Modulationsfrequenz, die nicht allzu weit über der Empfängerbandbreite, jedoch außerhalb des hörbaren Bereichs liegt. In Anbetracht der Werte in Bild 1b ist offensichtlich eine große Änderung der Betriebsfrequenz vorzuziehen. Dabei muss man sich allerdings im Klaren sein, dass dies Auswirkungen auf das Design der Stromversorgung hat. So sollte man beispielsweise die magnetischen Bauelemente entsprechend der niedrigsten Betriebsfrequenz dimensionieren. Der Ausgangskondensator muss außerdem wegen des niederfrequenteren Betriebs größere Welligkeitsströme bewältigen können.

 Bild 2: Durch Variieren der Stromversorgungs-Schaltfrequenz wird die Grundschwingung gedämpft, gleichzeitig aber auch der Grundstörpegel erhöht. Bild 2: Durch Variieren der Stromversorgungs-Schaltfrequenz wird die Grundschwingung gedämpft, gleichzeitig aber auch der Grundstörpegel erhöht.

Bild 2 zeigt das EMV-Verhalten mit und ohne Frequenzmodulation. Der Modulationsindex liegt bei 4 und die Störsignaldämpfung liegt, wie erwartet, bei der Grundschwingung in der Größenordnung von 8 dB. Es sind aber noch andere Aspekte erwähnenswert.

Die Oberschwingungen werden entsprechend der Ordnungszahl in Frequenzbänder gespreizt, d. h., die dritte Oberschwingung wird drei Mal so stark gespreizt wie die Grundschwingung. Dies wiederholt sich bei den höheren Frequenzen, was den Grundstörpegel gegenüber dem Festfrequenzbetrieb beträchtlich anhebt. In Low-Noise-Systemen ist diese Technik daher möglicherweise nicht anwendbar. Bei vielen Systemen hat sich das Konzept jedoch in der Form bewährt, dass es einen größeren Design-Spielraum und minimierte Kosten für Entstörfilter mit sich bringt.

Mein Dank geht an John Rice und Mike Segal von Texas Instruments für ihre Arbeit auf diesem Gebiet. Der nächste Tipp behandelt die Frage, wie sich Temperaturerhöhungen an Bauelementen abschätzen lassen.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Literatur 1) Feng and Chen: "Reduction of Power Supply EMI Emissions by Switching Frequency Modulation",  IEEE Transactions on Power Electronics, 1994.

2) "EMI Filter Design, SEM1500, Topic 1": http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM403002

 

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.