Durchführung eines Emissions-Bootcamps

Leitungsgebundene Emissionen, die sich entweder durch intern gekoppelte Emissionen oder durch extern angeschlossene Kabel negativ auf ein elektronisches System auswirken, sind für Hardwareentwickler ein Problem, die entweder leitungsgebundene Immunitätstests bestehen oder das elektrische Rauschen ihres Geräts begrenzen möchten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit zu verstehen, wie sich elektrisches Rauschen durch ein System leiten lässt. Dies erfordert ein Verständnis der verschiedenen Arten von Störströmen, deren Messung und letztendlich der Art des Unterdrückungsmechanismus, der verwendet werden muss, um das Produkt aus der Tür zu bringen. Dazu müssen sie natürlich ermitteln, welche Unterdrückungsmethode für die Art der leitungsgebundenen Emission, die sie erhalten, am kostengünstigsten ist.

Um besser zu verstehen, was genau leitungsgebundene Emissionen sind, werden wir zunächst über die beiden Arten von Emissionen sprechen, denen Ingenieure begegnen werden. Nachdem Sie ein erstes grundlegendes Verständnis dieser Emissionen gewonnen haben und wissen, wie sie sich sogar auf abgestrahlte Emissionen auswirken können, werden ihre Pfade und typischen Quellen besprochen, die es Hardware-Designern ermöglichen, diese Probleme in der Entwurfsphase zu erkennen und so das Hinzufügen kostspieliger Komponenten in späteren Phasen zu vermeiden Entwicklung. Nach der Identifizierung und dem Verständnis des Problems ist das zweitwichtigste Thema die Frage, wie diese Emissionen gemessen werden können. Hier stoßen Ingenieure beim Testen auf diese beiden gängigen Geräte: entweder ein Richtkopplungsnetzwerk für die Prüfung der injizierten Immunität oder ein Leitungsimpedanzstabilisierungsnetzwerk (LISN) für die Emissionsmessung. Nachdem wir schließlich verstanden haben, wie man misst, werden wir Filter und Komponenten für verschiedene Anwendungen besprechen.

Am Ende des Artikels sollten Sie ein gutes Verständnis davon haben, was leitungsgebundene Emissionen sind, welche Quellen und Wege sie haben, wie man sie misst und schließlich, wie man sie in den verschiedenen Phasen des Entwurfs kontrolliert.

Abbildung 1: Das EMV-Modell, das die Rauschquelle, den Pfad und den Empfänger darstellt

Leitungsgebundene Emissionen und das EMV-Modell Die meisten, wenn nicht alle von uns haben schon einmal Probleme mit leitungsgebundenen Emissionen gehabt, sei es durch ein heulendes Lichtmaschinengeräusch in der Stereoanlage Ihres Fahrzeugs oder durch einen Staubsauger, der Ihren Fernseher stört. Aus diesem Grund ist es wichtig zu verstehen, wo im EMV-Modell von Quelle-Pfad-Empfänger die geleiteten Emissionen hinpassen, um ein Problem schnell beheben zu können.

Die Quelle der meisten leitungsgebundenen Emissionsprobleme wird entweder als solche klassifiziert, die von außerhalb des Systems kommen, oder als solche, die innerhalb oder lokal am getesteten Modul oder System liegen. Aus diesem Grund finden Sie zahlreiche Materialien zu leitungsgebundenen Emissionen, die auf die Filterkonstruktion und Kabelführung abzielen und versuchen, die Auswirkungen der Geräuschquelle auf das System zu reduzieren. Ein zuvor beschriebenes Beispiel hierfür ist ein Generator, der infolge seiner in Abbildung 2 beschriebenen Stromerzeugung einen unbeabsichtigten Rauschstrom erzeugt.

Abbildung 2: (Links) Eine leitungsgebundene Emission, die den Funkbetrieb stört. (Rechts) Eine leitungsgebundene Emission, die auf eine Antenne strahlt und den Funkbetrieb stört

Dieser Rauschstrom kann je nach Motordrehzahl variieren und die Funkleistung negativ beeinflussen, sei es über einen leitungsgebundenen oder abgestrahlten Pfad. Während Sie vielleicht denken, dass die Geräuschquelle normalerweise leicht zu zielen ist, da sie Merkmale aufweist, die harmonische Inhalte oder hohe Amplituden umfassen, ist der Weg, den dieses Geräusch nimmt, oft schwer zu verfolgen. Beispiele für diese Art von Pfaden sind normalerweise das Ergebnis eines unbeabsichtigten Kopplungsmechanismus wie eines schlecht geerdeten Kabels, eines leitenden Gehäuses oder parasitärer Kapazitäten, die durch etwas so harmloses wie einen Kühlkörper an einem Transistor entstehen. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Offline-Schaltwandler mit 150 kHz betrieben wird. Der gestrichelte Kondensator stellt eine parasitäre Kapazität dar, die zwischen dem Kühlkörper und der „Masse“ besteht. Die rote Linie stellt den Weg des Rauschstroms dar aufnehmen kann, und bringt ein Gerät namens LISN mit, auf das später eingegangen wird und das dabei hilft, die durch diesen geleiteten Strom erzeugte Spannung zu messen. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass in den Abbildungen 2 und 3 der Pfad einen Strahlungspfad umfasst, der entweder zu einer Antenne und in den Stereoverstärker oder zu einem leitfähigen Chassis führt.

Abbildung 3: Ein Beispiel für einen Gleichtaktstrompfad mit parasitärer Kopplung

Um leitungsgebundene Emissionen zu kontrollieren, müssen wir zunächst einige Regeln erstellen, die uns helfen, die Art der leitungsgebundenen Emissionen zu identifizieren, damit wir die Quelle identifizieren und filtern können, oder den Pfad und das System entweder umleiten oder auf andere Weise modifizieren können, sodass es nicht mehr vorhanden ist ein Problem.

Arten leitungsgebundener Emissionen Der erste Schritt beim Umgang mit Problemen mit leitungsgebundenen Emissionen besteht darin, zunächst zu ermitteln, wie der Rauschpfad durch Ihr System übertragen wird, entweder über den Betriebsstrompfad (Schleife) oder über einen unbeabsichtigten Strompfad (abgestrahlt oder entlang der gemeinsamen Leitung). Daher werden geleitete Emissionen dann anhand der Bedingung klassifiziert, die sie verursacht hat, und führen daher zu unterschiedlichen Abhilfemaßnahmen.

Differenzmodus Die erste Art von Rauschstrom, der in Reihe mit dem Betriebsstrom auftritt, wird als Differenzmodusstrom oder Differenzmodusrauschen bezeichnet. Ein häufig verwendetes Diagramm zur Beschreibung von Gegentaktrauschen ist in Abbildung 4 dargestellt, wo in einem herkömmlichen Dreileitersystem die Rauschquelle entlang der Last dargestellt ist. Der Gegentaktstrom erzeugt hier eine Rauschspannung, die in Reihe mit den heißen und neutralen Leitungen liegt; In nicht dreiadrigen Systemen würden diese als Signal- und Rückleitungen betrachtet. Es erscheint in Reihe mit dem Betriebsstrom und ist, wie der Name schon sagt, differenzieller Natur.

Abbildung 4: Beispiel einer Gegentaktrauschquelle in einem Dreileitersystem

Glücklicherweise ist das Debuggen von Differenzialmodusproblemen in der Regel unkompliziert, da es in Reihe mit dem Schleifenstrom liegt und daher Hinweise zur Lösung des Problems durch sorgfältige Analyse eines Schaltplans auf Dinge wie Folgendes gefunden werden können:

Abbildung 5: Der ESR eines Bypass-Kondensators, der einen Spannungsabfall verursacht

Gleichtaktrauschen Nachdem wir Differenzialmodus-Rauschströme als Rauschströme bezeichnet haben, die in entgegengesetzte Richtungen fließen, ist es sinnvoll, sich auf die Umkehrung zu beziehen, bei der die Rauschströme in die gleiche Richtung auftreten. Da die Emission sowohl im Signal- als auch im Rückweg erfolgt, wird sie als Gleichtaktrauschen bezeichnet. Um diese Situation besser zu veranschaulichen, beziehen wir uns in Abbildung 6 erneut auf ein einfaches Dreileitersystem. Hier finden Sie die Rauschspannung aufgrund von Rauschströmen, die über der echten Erde auftreten – einem Pfad, der normalerweise keinen Strom führt. Der Gleichtaktstrom erscheint hier an der gemeinsamen Masse der stromführenden und neutralen Leitungen.

Abbildung 6: Beispiel einer Gleichtaktrauschquelle in einem Dreileitersystem

Leider ist diese Art von Rauschstrom schwieriger zu identifizieren, da er sehr empfindlich auf den Weg reagiert, den die Rauschströme nehmen. Ihr Weg ist in der Regel mit Parasiten verbunden, hat nichts mit dem normalen Betriebsstromfluss zu tun und erscheint daher nicht in einem Schaltplan. In Abbildung 7 finden Sie ein Beispiel dafür, wie sich der Gleichtaktpfad in einem Zweileitersystem mit zwei Transistoren und einem DC/DC-Wandler, der eine Last in einem schwebenden Metallgehäuse antreibt, ausbreiten kann.

Abbildung 7: Ein Beispielpfad von Gleichtaktemissionen durch Parasiten

Probleme mit Gleichtaktrauschen bereiten Designern Kopfzerbrechen und sind in der Regel Teil eines physikalischen Problems wie:

Darüber hinaus können sie zwar in den meisten elektronischen Systemen auftauchen, verursachen aber in der Regel am ehesten Kopfschmerzen in:

Darüber hinaus ist der Gleichtaktpfad in der Regel auch für die meisten Probleme mit abgestrahlten Emissionen verantwortlich, da die Stromschleifen, die durch Rauschströme auf diesem Pfad entstehen, tendenziell größer sind als der Differenzmodus.

Beim Debuggen und beim Analysieren des Pfads, den die leitungsgebundene Emission einschlägt, ist es wichtig zu verstehen, dass Gleichtakt- und Gegentaktprobleme sich nicht gegenseitig ausschließen. Differenzialmodusströme, die über den Quell- und Rückpfad unsymmetrisch sind, können sich beispielsweise als Gleichtaktrauschen darstellen. Aus diesem Grund ist die Unterdrückung an der Quelle die effizienteste Möglichkeit, das Problem zu bewältigen. Dazu gehört die Berücksichtigung häufiger Lärmquellen:

Ohne sorgfältige Analyse können Filter- und Unterdrückungstechniken zur Reduzierung des einen zu einer Erhöhung des anderen führen.

Leitungsgebundene Emissionen als StrahlungsproblemeBevor wir diskutieren, wie wir leitungsgebundene Emissionen messen, ist es wichtig zu verstehen, dass Gleich- und Gegentaktströme nicht nur ein Hardwareproblem sind, sondern auch mit dem abgestrahlten elektrischen Feld zusammenhängen. Übermäßige Mengen von einem oder beiden können dazu führen, dass ein Gerät die Strahlungsemissionsprüfung nicht besteht, und es kann außerdem zu Betriebsproblemen kommen. Um Gleich- und Gegentaktströme steuern zu können, müssen wir zunächst verstehen, wie sich diese Ströme auf das gemessene Feld auswirken. Eine gängige Gleichung, die wir verwenden können, um abgestrahlte Gegentaktemissionen und Gegentaktströme abzuschätzen, ist die folgende Formel:

Da es sich bei Gegentaktströmen um Schleifenströme handelt, ist es wichtig zu beachten, dass die von ihnen erzeugten Emissionen linear mit der Fläche der Schleife sind, die sie durchlaufen. Umgekehrt ist das vom Gleichtaktstrom erzeugte Feld wie folgt gegeben:

In beiden Gleichungen bemerken wir eine Abhängigkeit von der Frequenz und zwei Konstanten. Diese Konstanten unterscheiden sich etwa um eine Größenordnung:

Wenn wir davon ausgehen, dass sowohl die Differential- als auch die Gleichtaktströme in einem System zum Rauschen in einem System beitragen, sollten wir beachten, dass das von einem Gleichtaktstrom ausgehende Feld viel stärker ist als das eines Differentialmodusstroms. Indem wir etwas Algebra verwenden, um die Gleichungen zu vereinfachen, indem wir die LOP-Fläche auf , eine Drahtlänge von , und die Frequenz auf 48 MHz einstellen, können wir ein Gefühl dafür bekommen, wie sich die Gleich- und Gegentaktströme zueinander verhalten; Dies zeigt sich wie folgt:

Diese Gleichung sagt uns, dass für diesen Satz vereinfachter Parameter ein einzelner Mikroampere Gleichtaktstrom das gleiche Feld erzeugen kann, das von einem Milliampere Differenzialmodusstrom erzeugt wird.

Messtechniken Nachdem wir nun die verschiedenen Arten von Lärmquellen, ihre Nachteile und einige Beispiele besprochen haben, besteht der nächste logische Schritt bei der Beseitigung dieser Geräusche darin, herauszufinden, wie sie zu bewerten sind. Bei der Bewertung der Auswirkungen von Lärm auf einen Schaltkreis sowie der von einem Gerät ausgehenden Emissionen ergeben sich zwei gängige Geräte, von denen das erste ein LISN ist. Das LISN dient zur Messung der leitungsgebundenen Emissionen des zu testenden Geräts und gewährleistet die Wiederholbarkeit zwischen Testaufbauten und die Isolierung gegenüber der Variabilität von Außengeräuschen. Das zweite ist das Directional Coupling Network (DCN), das zur Bewertung der Reaktion Ihres zu testenden Geräts auf leitungsgebundene Emissionen verwendet wird, was üblicherweise als injizierte Immunitätsprüfung bezeichnet wird. Anstatt das Rauschen zu messen, dient der Test dazu, zu sehen, wie das Gerät auf unterschiedliche Mengen an eingespeistem HF-Rauschen reagiert, das in das Wechselstromnetz eines Geräts eingespeist wird.

Die physischen Aufbauten, Spezifikationen und Details hinter den Testaufbauten für jedes dieser Geräte variieren von Branche zu Branche.

Wir stellen das Line Impedance Stabilization Network vor. Zunächst besprechen wir das LISN als wertvolles Gerät zur Messung der von Ihrem Gerät ausgehenden Emissionen. Sein Hauptziel besteht darin, über den interessierenden Messfrequenzbereich eine konstante Leitungsimpedanz zu haben. Ein Beispiel für LISN-Impedanzen, bei denen die Impedanz erst bei 1 MHz konstant 50 Ohm beträgt, ist in Abbildung 8 dargestellt.

Da das LISN dazu gedacht ist, das zu testende Gerät von der Impedanzschwankung der Stromleitung zu isolieren und einen Messanschluss bereitzustellen, liegt es auf einer Linie mit der Eingangsleistung und trennt den Leistungsstrom vom Rauschstrom und verhindert außerdem, dass externe Rauschströme das Gerät beschädigen Messung. Dieses in Abbildung 9 dargestellte Blockdiagramm zeigt detailliert, wo das LISN in Bezug auf das Produkt und das kommerzielle Stromsystem vorhanden ist.

Abbildung 9: Diagramm einer LISN neben einem DUT

Wenn wir uns das Innere des LISN genauer ansehen, finden wir einen Tiefpassfilter, der aus Induktivitäten und Kondensatoren besteht. Wenn Sie sich dieses Diagramm und die Abbildungen 4 und 6 genau ansehen, werden Sie feststellen, dass das LISN an seinem Messanschluss sowohl Gleichtakt- als auch Differenzmodusspannungen misst.

Die Werte der Komponenten innerhalb des LISN sind zwar ähnlich, aber in verschiedenen Branchen und Frequenzbereichen nicht gleich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass jede Spezifikation und jede Regulierungsbehörde unterschiedliche stabilisierte Impedanzen benötigt, die für die Umgebung, in der sie tätig sind, spezifisch sind. Es gibt jedoch einige häufig vorkommende, die in Abbildung 11 dargestellt sind.

Abbildung 10: Internes Diagramm eines LISN, das an einen Wechselstromeingang angeschlossen ist, der mit einem Prüfling verbunden ist

Abbildung 11: Beispiele für Interna eines LISN

Mit dem LISN kann der Tester oder Designer erkennen, ob die von seinem Gerät ausgehenden Emissionen der ständig wachsenden Zahl von Regulierungsbehörden entsprechen oder ob zusätzliche Arbeiten an der Filterung der Stromversorgung durchgeführt werden müssen. Wenn Sie jedoch sehen möchten, was passiert, wenn eine leitungsgebundene Störung von einer anderen Stelle im kommerziellen Stromnetz auftritt, beispielsweise durch das Ein-/Ausschalten eines Motors, ist das Richtkopplungsnetzwerk das Gerät zum Testen Ihrer Immunität.

Einführung in das Kopplungsnetzwerk: Die Messung, wie Ihr Gerät unter Störungen funktioniert, ist für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich. Von Automobilen, bei denen Konstrukteure sicherstellen müssen, dass eine Lichtmaschine, die Strom in Ihr Fahrzeugsystem leitet, die Elektronik nicht beschädigt, bis hin zu gewerblichen Systemen, bei denen Sie sicherstellen möchten, dass Ihr Herd nicht jedes Mal eingeschaltet wird, wenn der Kühlschrank eingeschaltet wird. Für die Zwecke dieses Artikels konzentrieren wir uns auf die Teststandards der International Electrotechnical Commission (IEC) für den kommerziellen und industriellen Einsatz, die in den Tests der Serie 61000 definiert sind. IEC ist das leitende Gremium, das einen generischen Aufbau vorgibt, der leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen über ein breites Spektrum von Testkriterien in seinen Tests der Serie 61000 abdeckt. Die beiden, die sich auf den Inhalt dieses Artikels beziehen, sind:

Diese Tests setzen das Gerät sowohl im Gleichtakt- als auch im Differenzmodus-Aufbau Störungen aus und sind am nützlichsten für Geräte mit mindestens einem leitenden Kabel, wie z. B. einer Hauptstromversorgung, einer Signalleitung, einer Messleitung oder einer Erdungsverbindung, die mit einem anderen System verbunden ist. Sie sollen Schwachstellen in Ihrem Produkt auf gängige Rauschquellen wie PWMs, Taktgeber und Relaisflattern aufmerksam machen, die ihren Weg in Ihr System finden könnten. Das Blockdiagramm für einen Immunitätstest ähnelt Abbildung 12, wo Sie einen Signalgenerator, einen Verstärker und einen Richtkoppler haben, die zusammenarbeiten, um ein konstantes Rauschsignal zu liefern, das auf das normale Wechselstromnetz aufmoduliert ist.

Abbildung 12: Blockschaltbild eines Richtkopplers in einem Testaufbau

In einigen High-End-Systemen werden ein Leistungsmesser und eine Computersteuerung verwendet, um die Amplitude der eingespeisten Störung sowohl zu messen als auch zu steuern, um HF-Verluste im System über den Bereich der interessierenden Frequenzen zu berücksichtigen. Für die Testreihen 4–6 muss die Amplitude des eingespeisten Rauschens je nach Zertifizierungsstufe, die getestet werden soll, konstant bei entweder 1, 3 oder 10 V gehalten werden. Im Gegensatz zur Emissionsmessung können diese Tests je nach Branche, in der Sie tätig sind, differenziert werden, da die Akzeptanzkriterien auf Ihrer Wahl basieren und die IEC lediglich die Testanforderungen und -methoden umreißt. Beispielsweise möchten Sie möglicherweise, dass Ihr Gerät bei Störungen von 3 V im Betrieb ordnungsgemäß funktioniert, bei 10 V jedoch unter Umgebungsbedingungen möglicherweise keine Fehlfunktion auftritt. Darüber hinaus sind nicht alle Richtkoppler gleich und es gibt sie in verschiedenen Ausführungen, die zu Ihrer Anwendung passen. Beispiele für gängige Koppler sind in Abbildung 13 dargestellt.

Abbildung 13: Bilder von drei verschiedenen Arten von Richtkopplern

Nachdem Sie die Leistung Ihres Geräts gemessen haben und, wie bei den meisten, ein Problem feststellen, besteht der nächste Schritt darin, herauszufinden, was Sie tun können, um Störemissionen zu filtern oder zu unterdrücken, damit Ihr Produkt verkauft werden kann.

Filter- und andere Unterdrückungstechniken Der frühzeitige und möglichst effiziente Angriff auf leitungsgebundene Emissionen ist die beste Möglichkeit, kostspielige Änderungen spät im Designprozess zu vermeiden. Aus diesem Grund müssen wir uns nach der Evaluierung Ihres Systems zu Beginn des Entwicklungsprozesses und beim Finden eines Problems fragen: Handelt es sich um ein Gleichtaktproblem oder ein Differenzialmodusproblem? Jede Art von Emission verfügt über einen eigenen Unterdrückungsmechanismus, und die Lösungen können von kostenempfindlichen Techniken wie einem besseren Layout oder Filter bis hin zu kurzfristigeren Geräten wie teuren Drosseln, Ferritperlen und Kabeln reichen. In beiden Situationen besteht das Ziel eines Filters darin, die Impedanz des Strompfads zu beeinflussen, indem eine Nichtübereinstimmung zwischen der Impedanz der Rauschquelle und dem Pfad verursacht wird, der den Empfänger beeinflusst.

Wir beginnen zunächst mit der Filterung; Etwas, mit dem viele Ingenieure vertraut sind, seit sie zum ersten Mal erfahren haben, dass ein Tiefpassfilter erster Ordnung Geräusche von einem Motor oder Mikroprozessor beseitigen kann. Das Ziel eines Differenzialmodusfilters besteht darin, eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Schaltung und dem Filter bereitzustellen, sodass der Filter das Rauschen absorbiert oder von der Last wegleitet.

Diese Filterkomponenten bestehen normalerweise aus Reiheninduktivität und Parallelkapazität und können so ausgelegt werden, dass sie nur minimale Auswirkungen auf den gewünschten Strom haben, solange die Quellen- und Lastimpedanzen bei ihrem Entwurf berücksichtigt werden. Um zu verstehen, wie die Impedanz dieser reaktiven Elemente zur Filterung beiträgt, ist es hilfreich, sich Kondensatoren als hochohmig vorzustellen (sie enthalten einen offenen Stromkreis) und umgekehrt Induktivitäten als niederohmig (sie bestehen aus blankem Draht). Mit diesem Wissen zeigt Abbildung 15, wie diese Elemente einfache bis fortgeschrittene Filter wie das PI- oder T-Netzwerk bilden können, das in vielen Netzfiltern zu finden ist.

Abbildung 14: Filterimpedanzen aus Sicht der Quelle und Last

Abbildung 15: Tabelle mit den verschiedenen Arten von Filterimpedanzen und deren Anschluss an Quelle und Last

Bei der Auswahl der Art der zu verwendenden Komponenten ist es wichtig, zu bedenken, dass Komponenten- und Leitungsparasiten eine große Rolle bei der Leistung dieser Filter spielen können und ein Spektrumanalysator mit Tracking-Generator oft ein unschätzbares Werkzeug bei der Bewertung sein kann die Einfügungsdämpfung dieser Filter.

Während Gegentaktfilter zu den bekanntesten Gegentaktfilterkomponenten gehören, sind die am weitesten verbreiteten Gleichtaktbeispiele wahrscheinlich Drosseln und Ferritperlen. Darüber hinaus wirken sich diese Komponenten, wie der Name schon sagt, nur auf den Gleichtaktstrompfad aus, indem sie eine große Impedanz für Ströme darstellen, die in die gleiche Richtung fließen. Das in Abbildung 16 dargestellte Diagramm zeigt, wie die Gleichtaktströme sich aufhebende Magnetfelder erzeugen, während die Gegentaktströme ohne Dämpfung durch die Ringdrossel fließen können.

Abbildung 16: Ströme und ihre Felder in einer Gleichtaktdrossel

Andere Beispiele passen über Stromleitungen (z. B. das kleine Gerät, das an das Kabel Ihres Laptops angeschlossen ist), befinden sich jedoch immer in der Nähe der Geräuschquelle. Beispiele sind in Abbildung 17 dargestellt. Der effektive Frequenzbereich und der Dämpfungsgrad für jedes Gerät hängen vom Ferritmaterial und der Anzahl der Windungen ab, die der Draht durch die Drossel hat.

Abbildung 17: Beispiele für Gleichtaktdrosseln

Es ist wichtig zu beachten, dass ihre Wirksamkeit in letzter Minute mit Kosten und Zuverlässigkeit verbunden ist, da es sich in der Regel um teure Teile handelt, die abfallen können.

Wie bereits erwähnt, kann ein cleveres Layout zwar viele Probleme beseitigen, aber der Front-End-Filter des Netzteils ist der Ort, an dem Sie das Rauschen am effektivsten reduzieren können. Nachdem wir nun Drosseln und Gegentaktfilter eingeführt haben, können wir sie zu einem Netzfilter zusammenfügen. Eine Übersicht über den Filter ist in Abbildung 18 dargestellt.

Abbildung 18: Schematisches Beispiel für einen Netzfilter

Obwohl dies viel zu sehen sein mag, können wir es in seine zwei Komponenten zerlegen – zunächst die Differenzmoduskomponente, wie in Abbildung 19 dargestellt.

Abbildung 19: Differenzmodusabschnitt des Netzfilters

Dieser Abschnitt des Filters besteht aus einem oder mehreren Differenzialkondensatoren zwischen der Strom- und der Rückleitung und leitet jegliches hochfrequente Rauschen, das möglicherweise in Reihe mit dem Strom liegt, zurück zur Quelle. Dieser Kondensator wird als Gleichtaktkondensator bezeichnet und ist normalerweise groß im Vergleich zu den Gleichtaktkondensatoren. Hierbei ist zu beachten, dass eine gewisse Streuinduktivität durch eine unvollständige Kopplung in der nächsten Stufe des Filters, der Drossel, verursacht wird.

Der Gleichtaktabschnitt des Filters besteht aus einer Gleichtaktdrossel und nutzt Leitungsbypass-Kondensatoren, um einen niederohmigen Weg für Gleichtaktstörungen vom Netzteil oder Gerät zurück zu seiner Quelle zu schaffen. Ein Beispiel ist in Abbildung 20 dargestellt.

Abbildung 20: Gleichtaktabschnitt des Netzfilters

Während Filter benötigt werden, sollten Hardware-Ingenieure während der gesamten Entwurfsphase auf Routing, Terminierung und Parasiten achten, um die Filtereffektivität zu maximieren.

Abschluss Ich hoffe, dass dieser Artikel Sie dazu inspiriert hat, Ihr nächstes Problem mit leitungsgebundenen Emissionen anzugehen, indem er Ihnen einen Überblick über die beiden Wege gibt, die Lärm nehmen kann. Die erste erfolgt über den Differenzmodus und betrifft den Betriebsstrom in der Schaltung, was bedeutet, dass sie einem dokumentierten Pfad folgt und durch eine Systemanalyse des Schaltplans, des Layouts und der Komponentenauswahl gelöst werden kann. Der zweite Grund liegt im Gleichtaktmodus, der normalerweise durch den unbeabsichtigten Pfad verursacht wird, der durch parasitäre Komponenten wie Kühlkörper oder schlecht abgeschlossene Kabelbäume entsteht. Hier muss sich der Ingenieur auf die Quelle und die Pfade konzentrieren, um das Problem zu lösen. LISNs und direktionale Kopplungsnetzwerke sind gängige Geräte zur Messung der Leistung Ihres Produkts. Wenn es darum geht, einen Filter zu entwerfen, erfolgt dies so, dass die Wirksamkeit maximiert wird, und zwar früh genug, sodass die Kostensteigerung minimal ist.

Christopher Semanson arbeitet bei Renesas Electronics America Inc. als Elektroanwendungsingenieur in Durham, NC, und unterstützt eine Vielzahl allgemeiner Anwendungen. Er verfügt über fünf Jahre Erfahrung in der EMV-Ausbildung an der University of Michigan und unterrichtete EMV und Elektronik bei Mark Steffka. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und Informationstechnik sowie einen Master-Abschluss in Elektrotechnik von der University of Michigan Dearborn. Chris kann unter [email protected] erreicht werden.

Chris SemansonChristopher Semansondirigierte emissionsdesignemc

Christopher Semanson arbeitet bei Renesas Electronics America Inc. als Staff Power Systems Applications Engineer in Durham, NC, und unterstützt das Design von PMICs und anderen Stromerzeugungshalbleitern in Automobilanwendungen gemäß ISO 26262. Er verfügt über fünf Jahre Erfahrung in der EMV-Ausbildung University of Michigan, lehrt EMV und Elektronik bei Mark Steffka. Semanson hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und Informationstechnik sowie einen Master-Abschluss in Elektrotechnik von der University of Michigan Dearborn. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

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