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Grundlagen Power-Tipp, Teil 66: Schon ein kleiner Fehler kann das EMI-Verhalten ruinieren

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Wie schon im Power-Tipp Nr. 38 angesprochen, kann bereits eine geringe parasitäre Kapazität von 100 Femtofarad zwischen dem Schaltknoten und den Eingangsanschlüssen dazu führen, dass die EMI-Spezifikationen nicht mehr erfüllt werden. Wie muss man sich einen 100-fF-Kondensator vorstellen?

Power-Tipp
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(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Die verfügbaren Bauelemente weisen wegen parasitärer Effekte außerdem große Toleranzen auf. Sehr einfach zu finden sind 100-pF-Kapazitäten dagegen als parasitäre Elemente in einem Netzteil-Design. Fest steht, dass diese Kapazitäten beim Design unbedingt berücksichtigt werden müssen, wenn ein Netzteil die EMI-Vorschriften erfüllen soll.

Bild 1: Die Nähe des Schaltknotens zu den Eingangsanschlüssen beeinträchtigt die EMI-Eigenschaften. (Bild: TI)

In Bild 1 sind die unerwünschten Kapazitäten markiert. Rechts sieht man den vertikal eingebauten FET mit dem Schaltknoten und der bis zum oberen Bildrand reichenden Klemmschaltung. Die Eingangs-Anschlüsse reichen von links kommend bis etwa 1 cm an den Drain-Anschluss heran. Hier liegt der problematische Punkt, an dem die Schalt-Spannung des FET unter Umgehung des EMI-Filters in den Eingang gekoppelt werden kann.

Eine gewisse Abschirmwirkung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Eingang ergibt sich durch den Eingangskondensator, dessen Gehäuse mit der primärseitigen Masse verbunden ist und Gleichtaktströmen damit einen Weg zur Primär-Masse bereitstellt.

Bild 2: Die parasitäre Kapazität am Drain-Anschluss bewirkt, dass das EMI-Verhalten nicht mehr den Spezifikationen entspricht. (Bild: TI)

Die geringe parasitäre Kapazität hat zur Folge, dass die EMI-Signatur des Netzteils nicht mehr den Spezifikationen entspricht (siehe Bild 2). Diese Kurve ist interessant, weil sie eine ganze Reihe von Dingen offenbart. Man sieht die eindeutig nicht spezifikationsgemäßen niederfrequenten Emissionen ebenso wie die zwischen 1 und 2 MHz liegenden Anteile, bei denen sich Gleichtaktprobleme in der Regel äußern. Auch die abnehmende sin(x)/x-Verteilung der höher frequenten Komponenten ist erkennbar.

Es war ein gewisser Aufwand nötig, um die Emissionen auf ein spezifikationsgemäßes Maß zu drücken. Dabei wurde auf die allgemeine Kapazitätsgleichung zurückgegriffen

Allgemeine Kapazitätsgleichung (Bild: VBM-Archiv)

Die Dielektrizitätskonstante ε ließ sich nicht verändern, und auch die Fläche A war bereits auf ein Minimum reduziert. Beeinflussen ließ sich dagegen der Abstand d: Wie in Bild 3 zu sehen ist, wurde die Distanz zwischen den Bauelementen und dem Eingang um den Faktor 3 vergrößert. Mithilfe einer größeren Massefläche ergab sich zusätzlich eine bessere Abschirmung.

Bild 3: Das überarbeitete Layout weist einen größeren Abstand und eine bessere Abschirmung auf. (Bild: TI)

Wie sich diese Maßnahmen auswirkten, zeigt Bild 4. Am neuralgischen Punkt wurden die EMI-Spezifikationen um rund 56 dB unterboten, und die gesamte EMI-Signatur ließ sich ebenfalls deutlich reduzieren. Wohlgemerkt: diese Verbesserungen wurden ausschließlich durch Layout-Modifikationen erreicht, während die Schaltung selbst unverändert blieb. In Schaltungen, in denen hohe Spannungen geschaltet werden, ist somit unbedingt auf die Einhaltung genügend großer Abstände zu achten.

Bild 4: Abschirmung und größere Abstände verbesserten die EMI-Eigenschaften. (Bild: 4)

Wie dieses Beispiel gezeigt hat, kann eine Kapazität von nur 100 fF am Schaltknoten eines Offline-Schaltnetzteils bewirken, dass die EMI-Signatur den spezifikationsgemäßen Rahmen sprengt. Eine Kapazität in dieser Größenordnung kann schon durch parasitäre Elemente entstehen, wie etwa durch das Verlegen der Drain-Verbindungen in der Nähe der Eingangsanschlüsse. Nicht selten gelingt es durch Vergrößerung der Abstände oder mithilfe von Abschirmmaßnahmen, das Problem zu lösen. Weitere Verbesserungen lassen sich dagegen nur durch zusätzliche Filter oder weniger steile Signalflanken erreichen.