Einhaltung der EMI-Emissionen der Klasse A/B mit internen und externen Filtern
9. März 2021 von Ron Stull – Lesezeit: 5 Minuten
Systementwickler, die ein gekauftes AC/DC-Netzteil spezifizieren müssen, sehen sich mit einem Labyrinth von Spezifikationen konfrontiert, die sie aushandeln müssen, einschließlich der Spezifikationen für EMI. Glücklicherweise beschränken sich die EMI-Normen, anders als bei der Sicherheit, hauptsächlich auf:
- FCC-Teil 15: Klasse A und B in den USA
- CISPR 32: Klasse A und B international
Die Standards sind nicht identisch, liegen aber nahe beieinander. Wenn also einer der beiden Standards mit einer guten Marge erfüllt wird, ist es wahrscheinlich, dass der andere ebenfalls eingehalten wird. Die Klasse A bezieht sich auf Geräte in einer kommerziellen, industriellen oder geschäftlichen Umgebung, die nicht für Wohnzwecke oder für die allgemeine Öffentlichkeit bestimmt sind. Klasse B ist strenger und bezieht sich auf die Verwendung in einer Wohnumgebung, die als weniger kontrolliert und anfälliger für gegenseitige Störungen gilt.
Hersteller von Stromversorgungen garantieren in der Regel, dass ihre Produkte eine der EMV-Normen erfüllen, wenn sie isoliert getestet werden, was ein guter Ausgangspunkt ist, aber die gesetzliche EMV-Zertifizierung gilt für komplette Produkte oder Systeme. Das bedeutet, dass alle Beiträge zum leitungsgebundenen Rauschen von mehreren Schaltnetzteilen, Datenleitungen und Taktgebern in der Summe kleiner sein müssen als die von der Norm festgelegten Grenzwerte. Mit einem einzigen Netzteil, das die Normen erfüllt, vielleicht mit integriertem Wechselstromanschluss, und wenn das sonstige Rauschen gering ist, besteht eine gute Chance, dass das System die Normen erfüllt. Dies ist eine gute Nachricht für den Systementwickler – ein externer Filter ist schwierig diskret zu konstruieren und verursacht zusätzliche Kosten, erst recht, wenn ein Filtermodul zugekauft wird.
AC/DC-Netzteile, die als Module in ein Produkt eingebaut sind, vielleicht sogar auf einer Leiterplatte, haben normalerweise eine verdrahtete Verbindung zu einem Chassis-Netzanschluss oder zu einem Flying-Lead-Kabel, an dem die EMV-Messungen durchgeführt werden, so dass das Risiko einer Aufladung der Verkabelung und eines EMV-Testfehlers besteht. Wenn das Modul jedoch mit einer guten Marge EMV-konform ist, besteht eine begründete Aussicht, dass die Einhaltung des Produkts bei sorgfältiger Erdung und Kabelführung ebenfalls gewährleistet ist.
Es gibt jedoch Argumente für die Verwendung von AC/DC-Netzteilen ohne interne Filter, gekoppelt mit einem externen „System“-EMI-Filter. Wenn z. B. die EMV-Konformität mit einem internen Filter allein mit der Aufnahme nicht erreicht werden kann und ein externer Filter inline hinzugefügt wird, liegt wahrscheinlich ein gewisses Maß an „Overkill“ vor. Schlimmstenfalls könnten die beiden Filter interagieren, wobei unerwünschte Resonanzen bei einigen Frequenzen sogar höhere EMI-Werte verursachen als ein einzelner Filter. Zumindest sinkt der Wirkungsgrad des Systems aufgrund zusätzlicher ohmscher Verluste. Ein einzelner externer Filter, der in der Nähe des Wechselstromeingangs angebracht ist, würde dieses Problem beheben. Dieser Filter kann dann für die tatsächliche Systemlast gewählt werden; ein interner Filter wird immer für den ungünstigsten Fall der höchsten Ausgangslast, der niedrigsten Netzspannung und der höchsten Temperatur thermisch ausgelegt sein. In Anwendungen in der Praxis kann die Belastung viel geringer sein, so dass ein kleinerer und kostengünstigerer externer Filter verwendet werden kann. Ein extremes Beispiel wäre, wenn mehrere Netzteile in einer N+n-Konfiguration verwendet werden, von denen mindestens eines ständig im Leerlauf ist. Bei allen Netzteilen könnten Filter fehlen und es könnte ein gemeinsamer externer Filter verwendet werden, der nur für die tatsächliche Anzahl der gleichzeitig betriebenen Netzteile ausgelegt ist, was insgesamt Kosten spart.
Die Probleme können sich weiter verschärfen, wenn mehrere Netzteile in einem System verwendet werden, egal ob in redundanter Konfiguration oder nicht, da die EMI-Pegel des Systems aufgrund von additiven Effekten höchstwahrscheinlich nicht konform sind, was einen externen Filter erforderlich macht. Nun besteht die Gefahr von Wechselwirkungen zwischen mindestens drei separaten Filtern, insbesondere im unbelasteten Zustand, mit der Folge einer Unterdämpfung. Außerdem addiert sich bei Produkten der Schutzklasse I der Ableitstrom in jedem Filter, wodurch die Gefahr besteht, dass die gesetzlichen Grenzwerte überschritten werden. Dies kann selbst bei AC/DC-Netzteilen mit geringer Leistung, die vielleicht als Hilfsversorgungen verwendet werden, ein Problem darstellen, da die Werte der „Y“-Kondensatoren, die den Leckstrom durchlassen, nicht direkt leistungsabhängig sind.
Für Vielseitigkeit bietet CUI eine Reihe von Netzteilen mit und ohne EMI-Filter. So erfüllt die PSK-15W Serie beispielsweise die CISPR-32-Klasse-B-Grenzwerte als Leiterplattenmodul mit interner Filterung. Das Produkt ist in einem Gehäuse für die DIN-Schienenmontage erhältlich, wo die EMV-Konformität besonders nützlich ist, da die Testmessungen an der DIN-Schiene vorgenommen werden. Der Bereich ist in Klasse II eingestuft, hat also einen sehr geringen Ableitstrom und würde bei mehreren Netzteilen nur wenig zum Systemleck beitragen.
Die VOF-15B Serie ist ein weiteres Beispiel für ein 15-W-AC/DC-Netzteil, das eine Filterung zur Erfüllung der EMV-Anforderungen der Klasse B beinhaltet. Die Teile sind Open-Frame, leiterplattenmontiert und das Design ist von Natur aus EMI-arm, so dass nur eine leichte Filterung eingebaut ist, was die Kosten niedrig hält.
Für eine noch bessere Kosteneffizienz verzichtet die 15-W-PBO-15C-Serie auf eine interne Filterung und verlässt sich auf einen Systemfilter, der ohnehin vorhanden sein kann. Das Produkt kann jedoch bei Bedarf mit minimalen zusätzlichen Komponenten die Klasse B erfüllen, wobei die Sicherheitsklasse II und die geringe Leckage erhalten bleiben.
Die EMV-Konformität des Gesamtprodukts ist das Ziel – wenn Sie darüber nachdenken, wo Sie eine Filterung benötigen, können Sie Zertifizierungs- und Komponentenkosten sparen
Grundlagen, Produktauswahl, Sicherheit und Compliance
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.