12.2015: EMV-Filter sicher beherrscht

Quersektion 200
«Networks & Communication»
SIMULATION MIT PSPICE HILFT FRÜHZEITIG BEI ERKENNUNG VON EMV-PROBLEMEN
EMV-Filter sicher
beherrscht
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.
D
ie 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) ausge-
koppelt 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
Swiss Technology Network
swissT.net Quersektion 200
Networks & Communication
8604 Volketswil
Tel. 044 947 50 90
[email protected]
Präsident:
Christian Studer (ITRIS Enterprise AG)
Vorstand:
Stéphane Rey (WAGO Contact SA)
Max Felser (Berner Fachhochschule)
Urs Thönen (Phoenix Contact AG)
Adrian Frutig (Harting AG)
Bild 1: Vereinfachter Schaltregler mit Störauskopplung.
Bilder: FlowCAD
KO M M U N I K A TI O N
12.15 megalink
Bild 2: Stör-Pegel 40 bis 120 dBuV mit FFT umgerechnet und Limits zugefügt.
Bild 3: Störpegel 0 bis 100 dBuV mit Netzfilter und Stütz-Kondensator mit kleinem ESR.
Bild 4: Störpegel 0 bis 100 dBuV Monte Carlo und Parametric Sweep.
Bild 5: Störungen, wie sie in der Praxis häufig anzutreffen sind.
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
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 150kHz-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
33
durchaus geringfügige Abweichungen zu einer realen Messung auftreten können.
Fazit
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.
■
AUTOR
Pascal Willems,
Applikationsingenieur
INFOS
FlowCAD Schweiz AG
CH-5506 Mägenwil
Tel. +41 56 485 91 91
[email protected]
www.flowcad.ch

Download Report