Auswahl eines EMV-Stromfilters

Schaltnetzteile weisen in Bezug auf elektromagnetische Emissionen (EMV) grundsätzlich Störungen auf. Das schnelle Schalten von Hochspannungs- und Stromknoten führt zu relativ großen di/dt- und dv/dt-Werten innerhalb der Schaltung, wodurch über einen weiten Frequenzbereich Störungen abgegeben werden. In den meisten Ländern legen die Regulierungsbehörden Grenzwerte für die Menge der elektromagnetischen Störungen fest, die emittiert werden dürfen. Infolgedessen wird viel Zeit und Mühe aufgewendet, um Störquellen abzuschwächen und verbleibende Störungen herauszufiltern. Diese Netzteile erfüllen zwar die Vorschriften, wenn sie alleine getestet werden. Wenn sie jedoch einem System hinzugefügt werden, kann dies zu unbeabsichtigten elektromagnetischen Emissionen führen, die für die behördliche Zulassung eine zusätzliche Filterung erfordern. Serienmäßige EMV-Filter sind bei richtiger Auswahl eine einfache Möglichkeit, die Emissionen zu verbessern und die Vorschriften einzuhalten.

EMV und Hintergrund der elektromagnetischen Verträglichkeit

Beim Umgang mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wird das Problem häufig mit drei Komponenten modelliert: Quellen, Pfade und Rezeptoren.

Die Quellen sind die Geräte oder Schaltungsknoten, die die Störung erzeugen. Dies kann neben dem Netzteil selbst auch andere Geräte wie Mikroprozessoren, Videotreiber, HF-Generatoren usw. umfassen.

Die von einer Quelle erzeugte Störung hat zwei Pfade, die sie zurücklegen kann. Der erste ist ein Strahlungspfad, bei dem es sich um elektromagnetische Energie handelt, die sich in den Raum ausbreitet und in andere Systeme einkoppelt. Der zweite ist ein leitungsgebundener Pfad, auf dem das Signal durch die Leiter des Systems fließt (z. B. Leiterbahnen und Ebenen von Leiterplatten, Komponentenleitungen, Eingangsverdrahtung usw.). Dies kann in die Stromleitungen zurückkehren und andere Geräte beeinträchtigen, die über diese Leitung mit Strom versorgt werden.

Rezeptoren sind Geräte, die von der Quelle abgegebene Störungen aufnehmen und von der Interferenz betroffen sind. Nahezu jede analoge und digitale Schaltung kann als Rezeptor fungieren.

Bei der Prüfung auf EMV prüft der Regler die leitungsgebundenen und abgestrahlten elektromagnetischen Emissionen getrennt. Jede verfügt über ihre eigenen Grenzen und Frequenzbereiche sowie eine eigene Unterdrückungsmethode. Strahlungsemissionen decken einen höheren Frequenzbereich ab (typischerweise 30 MHz bis 1.000 MHz). Und da sich die Störung durch den Raum bewegt, ist die Art und Weise, wie sie kontrolliert werden kann, begrenzt. Neben der Verwendung geeigneter Layout- und Schaltungsentwurfstechniken zur Dämpfung der Störung an der Quelle kann eine Abschirmung verwendet werden, um die abgestrahlte Störung einzudämmen. Andererseits decken die leitungsgeführten Emissionen einen niedrigeren Frequenzbereich ab (typischerweise 0,15 MHz bis 30 MHz) und können, da sie durch Leiter verlaufen, unter Verwendung elektrischer Filterkomponenten kontrolliert werden. Der Designer kann beim Hinzufügen von EMI-Filtern wählen, ob er sie diskret gestalten möchte oder ob er sich für einen handelsüblichen EMI-Filter entscheidet.

EMV-Filter und Systemanforderungen

Für die Techniker, die sich für einen handelsüblichen EMV-Filter entscheiden, kann es zu Unklarheiten bei der Auswahl des richtigen Filters für das jeweilige System kommen. Der erste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass der EMV-Filter die grundlegenden elektrischen Anforderungen erfüllt. Wichtige zu überprüfende Punkte sind:

• Nennspannung, die maximale Spannung, die an den Eingang angelegt werden kann. Wird sie überschritten, können Komponenten im Filter beschädigt werden.
• Isolationsspannung, der Isolationswert, der zwischen jeder Eingangsleitung und Erde/Gehäusemasse gemessen wird (es gibt keine Isolation zwischen Eingang und Ausgang).
• Nennstrom, der maximale Strom, der innerhalb des angegebenen Betriebstemperaturbereichs durch den EMV-Filter fließen kann.
• Betriebstemperatur, die maximale Temperatur, bei der das Gerät betrieben werden kann.
• Leckstrom, der Strom, der durch die Erde/Gehäusemasse fließt. Der EMV-Filter wird zusätzlich zu der Stromversorgung selbst auch noch Ableitstrom beitragen. Aus Sicherheitsgründen gelten für den Ableitstrom festgelegte Grenzwerte, und das Hinzufügen der Ableitung durch den Filter sollte vom Designer berücksichtigt werden.

EMV-Filtereigenschaften

Sobald Sie einen EMV-Filter gefunden haben, der die Betriebsbedingungen des Systems erfüllt, sollten Sie die tatsächlichen Filtereigenschaften überprüfen. Das Datenblatt enthält normalerweise Diagramme zur Einfügedämpfung, eines für den Gleichtaktmodus und eines für den Gegentaktmodus. Diese Diagramme zeigen dem Benutzer, wie stark die Frequenz des Signals zwischen Ein- und Ausgang gedämpft wird.

Die Einfügedämpfung ist das Verhältnis des Signals am Eingang des Filters zum Signal am Ausgang. Sie wird aufgrund des großen abgedeckten Frequenzbereichs üblicherweise in Dezibel gemessen, wie in der folgenden Gleichung gezeigt.

Einfügedämpfung (dB) = 20 Log ₁₀ (ungefiltertes Signal / gefiltertes Signal)

Dies kann unter Verwendung der Quotientenregel neu geschrieben werden, um nach dem gefilterten Signal aufzulösen.

Gefiltertes Signal (dB) = ungefiltertes Signal (dB) - Einfügedämpfung (dB)

In einigen Fällen wird kein Diagramm angezeigt und stattdessen ein Wert für die Geräuschdämpfung im Datenblatt aufgeführt. Dies wird normalerweise mit einem Frequenzbereich gepaart, über den die Dämpfung anwendbar ist. Beispielsweise kann ein Datenblatt eine Dämpfung von 30 dB zwischen 150 kHz und 1 GHz angeben.

Der letzte Punkt, der bei der Überprüfung der Filterdaten beachtet werden muss, ist, dass die Quellen- und Lastimpedanzen das Verhalten des Filters ändern. Die im Datenblatt angegebene Einfügedämpfung wurde mit einer Impedanz (typischerweise 50 Ω) ermittelt, die sich möglicherweise erheblich von der des Systems unterscheidet, auf das sie angewendet wird. Während ein Filter auf dem Papier gut aussehen kann, ist es wichtig, den Filter im Stromkreis zu testen, um seine Leistung unter den tatsächlichen Quell- und Lastbedingungen des Endsystems zu überprüfen.

EMV-Filterauswahl

Bei der Auswahl eines EMV-Filters ist es ideal, wenn das zu filternde Netzteil vorab EMV-Tests unterzogen wurde, um eine Basis für die leitungsgebundenen Emissionen zu erhalten. Die Testergebnisse zeigen dem Designer, bei welchen Frequenzen und um welchen Wert das Gerät versagt hat. Diese Informationen können mit den Einfügedämpfungsdiagrammen des EMV-Filters verglichen werden. So lässt sich feststellen, ob bei den ausgefallenen Frequenzen eine ausreichende Dämpfung vorliegt, um den EMV-Test zu bestehen. Wenn beispielsweise der Gleichtakt-Emissionstest bei 500 kHz wegen 64 dB fehlschlug, zeigt die nachstehende Gleichtakt-Einfügedämpfungskurve des EMV-Filters bei 500 kHz einen Dämpfungspegel von ungefähr -75 dB. Wenn dieser EMV-Filter genutzt wird, sollte man den EMV-Test bei 500 kHz mit 11 dB Toleranz bestehen.

Aufgrund der uneinheitlichen Dämpfung über das Frequenzspektrum hinweg muss sichergestellt werden, dass alle ausgefallenen oder Grenzfrequenzen ordnungsgemäß gedämpft werden. Wenn das Datenblatt einen einzelnen Dämpfungswert anstelle eines Diagramms zur Einfügedämpfung enthält, muss unbedingt sichergestellt werden, dass dieser einzelne Wert größer als die größte Fehlergrenze ist.

Fazit

Schaltnetzteile sind eine Hauptquelle von elektromagnetischen Emissionen (EMV), weshalb ihre Regulierung von entscheidender Bedeutung ist, um Interferenzen mit anderen elektronischen Geräten zu vermeiden. Die meisten, wenn nicht sogar alle Schaltnetzteile verfügen über einen Filter am Eingang. Aufgrund der Vielzahl von Anwendungen ist dies jedoch möglicherweise nicht immer ausreichend, um die endgültige EMV-Prüfung nach der Anwendung auf ein komplettes System zu bestehen. Serienmäßige EMV-Filter sind eine schnelle und einfache Möglichkeit, elektromagnetische Emissionen zu reduzieren, wenn der interne Filter nicht ausreicht. Außerdem können sie Zeit sparen, da keine separate Lösung von Grund auf neu entwickelt werden muss. CUI bietet mehrere AC-DC-EMV-Stromfilter und DC-DC-EMV-Stromfilter mit Leiterplattenmontage-, Chassis- und DIN-Schienenkonfigurationen, die für die elektromagnetischen Kompatibilitätsanforderungen eines Systems optimiert sind.

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