EMI-Lösungen für externe Netzteile

17. Dezember 2019 verfasst von Bruce Rose

EMI-Lösungen für externe Netzteile

Das Management kann sein Engineering-Team fragen: „Warum muss das System einer Emissionsprüfung unterzogen oder auf Strahlungsemissionen geprüft werden, wenn das externe Netzteil bereits die gesetzlichen Anforderungen erfüllt?“ Eine einfache Antwort ist, dass das Netzteilentwicklungsteam das Netzteil isoliert getestet hat und die Eigenschaften der abgestrahlten und leitungsgebundenen Emissionen beim Testen des Gesamtsystems unterschiedlich sind. In diesem Beitrag wird erläutert, wie Ferritperlen verwendet werden können, um Systeme, die aus einer externen Versorgung und der Systemlast bestehen, in Bezug auf leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen in Übereinstimmung mit den gesetzlichen Bestimmungen zu bringen.

Leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen

Mit elektronischen Produkten sind normalerweise mindestens zwei Arten von Signalen verknüpft. Eine Kategorie von Signalen sind die beabsichtigten Signale: Leistung und Daten. Bedauerlicherweise führen absichtliche Spannungsübergänge in den Leistungs- und Datensignalen zu einer zweiten Art von Signal in elektronischen Produkten: zur unbeabsichtigten Störung.

Die Aufsichtsbehörden haben Grenzwerte für den Pegel von Störsignalen festgelegt, die außerhalb des Systems weitergegeben werden dürfen. Zwei der gebräuchlichsten Bestimmungen hinsichtlich elektronischer Emissionen sind der US-amerikanischen FCC-Titel 47, Teil 15 und die europäische Norm EN55022. Das dominante Ausbreitungsmittel des Rauschens hängt vom Frequenzband des Rauschens ab.

Das meiste niederfrequente elektromagnetische Rauschen wird durch die Leitung übertragen. Aus regulatorischen Gründen gilt der Bereich der „niederfrequenten“ elektromagnetischen Signale als 150 kHz bis 30 MHz. Die Leiter innerhalb des Systems sind in der Regel zu kurz, um in diesem Frequenzbereich als wirksame Antennen zu dienen, und daher ist die Abstrahlung kein großes Problem. Innerhalb dieses Frequenzbandes ist die Impedanz von parasitären Induktoren niedrig genug und die Impedanz von parasitären Kondensatoren hoch genug, sodass sich die Signale ohne nennenswerte Dämpfung entlang von Leitern ausbreiten können. Bei hochfrequenten elektromagnetischen Signalen (30 MHz und mehr) können die mit Leitern verbundenen parasitären Impedanzen zu einer erheblichen Dämpfung der geleiteten Signale führen. Leiter in elektronischen Produkten können jedoch lang genug sein, um bei diesen Frequenzen als vernünftige Antennen zu dienen, und daher ist Strahlung bei den höheren Frequenzen das Hauptproblem bei der Emission.

Frequenzbänder für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen
Frequenzbänder für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen

Filter, um leitungsgebundenen und abgestrahlten Emissionen entgegenzuwirken

Externe Stromversorgungen enthalten typischerweise diskrete Induktoren und Kondensatoren in der Wechselstromeingangsschaltung, um das Rauschen zu dämpfen, das von der Stromversorgung entlang der Wechselstromeingangsleitungen abgeleitet wird. Die interne Leiterplatte ist für die Aufnahme dieser Komponenten ausgelegt und die Sicherheitsprüfungen werden mit den installierten Komponenten durchgeführt. Sobald die Entwurfs- und Testaktivitäten abgeschlossen sind, sind Änderungen an den Eingangsfilterelementen zur Anpassung an die Kundenanforderungen normalerweise unerschwinglich teuer.

Diagramm des leitungsgebundenen Emissionsfilters am Wechselstromeingang der Stromversorgung
Filter für leitungsgebundene Emissionen am Wechselstromeingang der Stromversorgung

Die Gleichstromausgangsschaltungen in externen Stromversorgungen verwenden interne Nebenschlusskondensatoren, um Wechselstromsignale am Ausgang der Stromversorgung zu dämpfen. Einige Konstruktionen können auch Reiheninduktoren enthalten, um eine zusätzliche Dämpfung der Wechselstromsignale bereitzustellen. Bei der abschließenden Prüfung der Strahlungsemissionen kann jedoch festgestellt werden, dass die interne Filterung nicht ausreicht, um die gesetzlichen Emissionsanforderungen zu erfüllen. Das Gleichstromausgangskabel wird nicht auf leitungsgebundene Emissionen überwacht, kann jedoch als angemessene Antenne für Strahlungsemissionen dienen. Eine Lösung, um übermäßigen Strahlungsemissionen entgegenzuwirken, besteht darin, dem Gleichstromausgangskabel eine externe Ferritperle hinzuzufügen, um für die Konformität der Versorgung zu sorgen. Die zur EMI-Filterung verwendeten Ferritperlen sind so ausgelegt, dass sie sowohl eine reaktive als auch eine resistive Impedanz liefern. Die reaktive Impedanz hilft, die Ausbreitung unerwünschter Signale zu blockieren, während die reaktive Impedanz einen Teil der mit den unerwünschten Signalen verbundenen Energie verbraucht. Die Perle wird so ausgewählt, dass sie um das Gleichstromausgangskabel passt und die erforderlichen Filtereigenschaften bei den betreffenden Frequenzen bietet.

Ferritperle zur EMI-Unterdrückung; a) vereinfachtes Modell
Vereinfachtes Modell einer Ferritperle zur EMI-Unterdrückung
Ferritperle zur EMI-Unterdrückung; b) XRZ-Plot
XRZ-Plot einer Ferritperle zur EMI-Unterdrückung

Während der Systemprüfung hinzugefügte Ferritperlenfilter

Ein Netzteil wird vom Netzteil-Designteam isoliert getestet, um die Anforderungen an leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen zu erfüllen. Sobald jedoch das Netzteil zu einem vollständigen System hinzugefügt wird, kann das System ähnliche Emissionsprüfungen nicht bestehen. Einer der häufigsten Gründe für das Versagen des gesamten Systems ist das Rauschen der Systemlast, die sich über das Gleichstromausgangskabel zurück zum Netzteil ausbreitet. Das Hinzufügen von Ferritperlen zum Gleichstromausgangskabel ist eine kostengünstige Lösung, mit der die Emissionen möglicherweise auf ein akzeptables Maß gesenkt werden können.

Abbildung einer Ferritperle am Gleichstromausgangskabel des externen Netzteils

Auswahl von Ferritperlen und Übergang zur Produktion

  1. Testen Sie das System und die externe Stromversorgung, um festzustellen, ob Frequenzen vorhanden sind, bei denen übermäßige Emissionen auftreten.
  2. Wählen Sie eine Ferritperle, die um das Kabel passt und bei den betreffenden Frequenzen eine hohe Impedanz liefert. Einige Ferritperlenfirmen bieten geteilte Ferritperlen zum Testen und zur Herstellung kleiner Stückzahlen an. Geteilte Ferritperlen ermöglichen die Montage am Kabel, ohne dass der Gleichstromausgangsstecker durch das Loch in der Ferritperle geführt werden muss.
Abbildung zeigt Beispiele für geteilte und einteilige Ferritperlen
  1. Bauen Sie die Ferritperle ein. Häufig befindet sich die Ferritperle am Ende des Gleichstromanschlusses des Kabels, um Störsignale zu reduzieren, bevor sie über das Kabel von der Systemlast zur Stromversorgung übertragen werden. In der Regel werden zwei Kabelwindungen durch die Ferritperle geführt. Die von der Perle bereitgestellte Impedanz ist ungefähr proportional zur Anzahl der Windungen im Quadrat; zwei Windungen ergeben das Vierfache der Impedanz einer einzigen Windung. Wenn mehr als zwei Windungen implementiert werden, steigt die Serienimpedanz pro Windung auf ein Niveau, das hoch genug ist, dass die parasitäre Kapazität zwischen den Kabelsegmenten Energie über die durch die Perle erzeugte Serienimpedanz hinaus ableitet. Das Nebenschließen der unerwünschten Signale durch die parasitäre Kapazität verringert die Wirksamkeit der Ferritperle in einem größeren Maß, als wenn nur zwei Windungen verwendet würden.
Abbildung zeigt die Windungen mit einer Ferritperle
  1. Wenn das Produkt in Serie gefertigt werden soll, wählen Sie eine nicht geteilte Ferritperle aus, deren Spezifikationen mit der bei der Prüfung verwendeten Perle vergleichbar ist. Der Hersteller der in der Produktion verwendeten Ferritperle kann sich von dem Hersteller der zum Testen verwendeten Perle unterscheiden.
  2. Erstellen Sie Muster des Netzteils mit der Ferritperle, die für die Massenproduktion verwendet werden soll.
  3. Testen Sie das System und das externe Netzteil mit der für die Produktion verwendeten Ferritperle, die auf dem Gleichstromausgangskabel des Netzteils installiert ist. Diese erneute Prüfung stellt sicher, dass die Kombination aus Netzteil, Produktionsferritperle und System die Emissionsanforderungen erfüllt.

Zusammenfassung

Wenn Netzteile und Systemlasten kombiniert werden, stößt das Systemdesignteam manchmal auf Probleme, weil das Gesamtsystem die Anforderungen an leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen nicht erfüllt. Oft ist eine Änderung des Designs des Netzteils oder der Systemlast sowohl hinsichtlich des Zeitplans als auch der Ressourcenkosten unerschwinglich. Auf dem Gleichstromausgangskabel der Stromversorgung befindliche Ferritperlen (mit induktiven und resistiven Impedanzkomponenten) können verwendet werden, um dem Gesamtsystem die Erfüllung der Anforderungen an leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen zu ermöglichen. Die Auswahl der richtigen Perle erfolgt in mehreren Schritten und erfordert möglicherweise eine Abstimmung zwischen dem Systemdesignteam und dem Hersteller des Netzteils.

Zusätzliche Ressourcen


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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