EMV-Filter sicher beherrscht

EMV-Filter sicher beherrscht
Grossansicht Bild
Vereinfachter Schaltregler mit Störauskopplung.
13.01.2016 | Höhere Schaltfrequenzen und steilere Schaltflanken sind das Mittel für effizientere und kompaktere Schaltregler. Damit diese aber nicht zu einer schlechten Störabstrahlung führen, empfiehlt es sich schon während der Entwicklung zu simulieren. So lassen sich Probleme frühzeitig erkennen und gezielte Gegenmassnahmen ergreifen.

Die Schaltung in Bild 1 besteht aus einem vereinfachten Schaltnetzteil, mit einem für eine solche Applikation gängigen MOSFET, welches in diesem Beispiel mit konstanter Schaltfrequenz angesteuert wird. Die kapazitive Auskopplung der Störung über das Kühlblech des MOSFET wird hier mit C_HeatCap1 in der Simulation berücksichtigt. Die relevanten Leitungen sind mit Impedanzen belegt. Diese haben einen signifikanten Einfluss auf die Entstehung und Ausbreitung von Störungen, was darauf hindeutet, dass der Anordnung der Bauteile und Leiterbahnen in der Umsetzung einer elektronischen Schaltung auf dem PCB eine grosse Bedeutung zukommt. Die Störung wird über die Ersatzschaltung des LISN (Line Impedance Stabilisation Network) ausgekoppelt und ausgewertet. Um eine dem Messempfänger nahekommende Auswertung des am LISN ausgekoppelten Signals zu erhalten, wird die FFT-Umrechnung mit einer logarithmischen Anzeige in Dezibel kombiniert (Bild 2). In allen Abbildungen des Störsignals (Bilder 2 bis 5) wurden die Limits für den Quasi Peak und Average nach EN55011 Klasse B eingezeichnet. Die FFT-Auswertung entspricht in etwa der Peak-Messung. So wird schnell ersichtlich, wie sich die Störungen darstellen.


Soll die Simulation der Realität nahe kommen, ist es wichtig, realitätsnahe Modelle zu verwenden. Dabei gilt, je genauer und besser diese sind, umso genauer ist das Resultat der Simulation. Daher empfiehlt es sich, diese aufgrund von Messungen zu ermitteln oder aber die Kenngrössen aus dem Datenblatt zu entnehmen und die Parameter in einem GUI der Modelling Application einzugeben. Für eine Vielzahl von Bauteilen ist übrigens in PSpice bereits eine Modelling Application integriert.

Störungsursachen und Entstörmassnahmen

Störungsursachen und Entstörmassnahmen
Grossansicht Bild
Stör-Pegel 40 bis 120 dBuV mit FFT umgerechnet und Limits zugefügt.
Die schnellen Schaltflanken des MOSFET rufen in diesem Beispiel die symmetrischen Störungen hervor. Mit einem Kondensator, der über einen kleinen ESR verfügt, der parallel zum Stützkondensator geschaltet wird, kann ein Teil der symmetrischen Störungen (Differential Mode) reduziert werden.
Die kapazitive Kopplung des Kühlbleches des MOSFET zur Umgebung oder dem leitenden Gehäuse führt zu asymmetrischen Störungen (Common Mode). Mit einem geeigneten Netzfilter lassen sich diese Störungen weiter reduzieren. Die Simulation der Störaussendung mit den angesprochenen Entstörmassnahmen wird in Bild 3 ersichtlich.

Berücksichtigung von Bauteiletoleranzen
Mit der Monte-Carlo-Funktion von PSpice lässt sich bereits vor dem Serienstart und der finalen Messung im EMV-Labor erkennen, wie die Toleranzen der Filterbauteile die leitungsgebundene Störabstrahlung des Schaltreglers beeinflussen. Da diese nicht selten bei 20 Prozent liegen, wie auch in diesem Beispiel, kann es zu einem kritischen Überschreiten des Quasi Peak Limits kommen.
Die Wirksamkeit des Filters bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen lässt sich mit der Funktion Parametric Sweep ermitteln. Diese erkennt in der Beispielmessung, dass es bei einer Schaltfrequenz zwischen 150 und 350 kHz zu Grenzwertüberschreitungen kommt.
Um den Einfluss der Toleranzen als auch die verschiedenen Arbeitspunkte des Schaltreglers zu berücksichtigen, lassen sich die Monte-Carlo-Funktion und der Parametric Sweep in einer Simulation kombinieren. Das Resultat dieser Simulation ist in Bild 4 ersichtlich, wo das Quasi Peak Limit im 150-kHz-Bereich deutlich überschritten wird.

Realitätsnahe Simulation
Befindet sich der Schaltregler in der Nähe des Entstörfilters oder besteht ein anderweitiger Koppelpfad, können Störungen mit höheren Frequenzen leitungsgebunden abgegeben werden. In diesem Falle vermeidet auch das beste Filter keine Störungen, weil diese, wie in Bild 5 zu sehen, das Filter quasi umgehen. Um solche Koppelpfade zu erkennen und zu vermeiden, bedarf es einiger Erfahrung und eines fundierten Verständnisses der Materie. PSpice zeigt solche Kopplungen schnell auf, was zu einer deutlich beschleunigten Entwicklung führt und so Kosten spart.

Anmerkungen
Die gegenseitige Beeinflussung der Filterbauteile, hervorgerufen durch ihre Anordnung auf dem PCB, lassen sich mit entsprechendem Aufwand modulieren. Dies wurde aber in der vorliegenden Betrachtung vernachlässigt. Aufgrund der mathematischen Grundlagen entspricht die FFT-Analyse der Peak-Messung in qualitativem Sinne, wobei durchaus geringfügige Abweichungen zu einer realen Messung auftreten können.

Fazit

Fazit
Grossansicht Bild
Störungen, wie sie in der Praxis häufig anzutreffen sind.
Je früher im Entwicklungsprozess Probleme erkannt und gelöst werden, desto geringer sind Zeitaufwand und Kosten. Überarbeitungen und Kosten für diverse Prototypen entfallen, wenn in der vorgängigen oder begleitenden Simulation die Probleme erkannt und behoben werden.
PSpice geht der Störquelle und deren Kopplungsweg auf den Grund und stellt Wirkung und Zusammenhänge verständlich und nachvollziehbar dar. Im Weiteren prüft sie die Entstörmassnahme auf ihre Wirksamkeit hin. Dadurch hat der Elektronikentwickler die  Möglichkeit, seine Erfahrung zu fundieren und in künftige Entwicklungen oder Re-Designs einfliessen zu lassen. PSpice ist die ideale Ergänzung zur Messung im EMVLabor, da langwierige Messungen und Tests im Labor entfallen.

Bewertung Ø:
   
Meine Bewertung:

Fragen und Kommentare (0)