Mit Speicherdrosseln die EMV von Schaltreglern sicherstellen

| Autor / Redakteur: Ranjith Bramanpalli * / Thomas Kuther

Testaufbau: Um die EMV-Eigenschaften von Speicherdrosseln in Schaltreglern zu ermitteln, wurde ein DC/DC-Wandler mit einer Schaltfrequenz von 400 kHz verwendet.
Testaufbau: Um die EMV-Eigenschaften von Speicherdrosseln in Schaltreglern zu ermitteln, wurde ein DC/DC-Wandler mit einer Schaltfrequenz von 400 kHz verwendet. (Bild: Würth Elektronik eiSos)

DC/DC-Wandler und Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer Schaltfrequenz und deren Oberwellen elektromagnetische Ruhestörer. Mit passenden Speicherdrosseln können Sie das EMV-Verhalten in den Griff bekommen.

DC/DC-Schaltregler spielen eine wichtige Rolle bei Anwendungen im Energiemanagement, beispielsweise um effiziente Schaltnetzteile zu realisieren. Dabei gehören Speicherinduktivitäten zu den wichtigsten Kernbauteilen solcher Schaltregler, welche beim Designen meist auf die reinen elektrischen Eigenschaften wie RDC, RAC oder Kernverluste heruntergebrochen werden. Die elektromagnetischen Abstrahlungseigenschaften hingegen werden häufig ignoriert.

Speicherinduktivitäten in Schaltnetzteilen können aus verschiedenen Kernmaterialien und in unterschiedlichen Wicklungsarten ausgeführt und aufgebaut sein. Zudem lassen sich Speicherinduktivitäten in drei Arten unterteilen: ungeschirmte, halbgeschirmte und geschirmte. Jeder Schirmungstyp weist spezifische Vor- und Nachteile auf, welche die Anwendungsbereiche ermöglichen oder beschränken.

Aufgrund der Schaltvorgänge in einem Schaltnetzteil wird eine Wechselspannung in der Induktivität erzeugt. Da eine Induktivität – rein praktisch betrachtet – wie eine Rahmenantenne arbeiten kann, hängt die elektromagnetische (EM) Strahlung von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Hier gehören beispielsweise Quelleigenschaften wie Kern- und Schirmungsmaterial oder auch der Wahl des Wicklunganfangs.

Durch die Schaltfrequenz und deren Oberwellen verursachte elektromagnetische Strahlung einer Speicherinduktivität hängt im unteren Frequenzbereich von 100 kHz bis 30 MHz zum einen davon ab, ob die Spule geschirmt ist, aber auch von den Wicklungseigenschaften. Dagegen besteht die Abhängigkeit der elektromagnetischen Strahlung im oberen Frequenzbereich (30 MHz bis 1 GHz), in dem die Emissionen von Oberschwingungen und deren Oberwellen verursacht werden, eher von den Schirmungseigenschaften des Kernmaterials, der Schaltfrequenz und dem grundlegenden Design ab.

Ursachen der elektro­magnetischen Strahlung

Konstruktion und Betrieb von Speicherinduktivitäten in DC/DC-Wandlern bringen ungünstige Auswirkungen mit sich, die mit denen einer Rahmenantenne vergleichbar sind. Wechselspannung und Wechselstrom in der Spule erzeugen ein elektrisches Feld (E-Feld) und ein magnetisches Feld (H-Feld). Diese breiten sich ausgehend von der Quelle im rechten Winkel zueinander aus.

Im Nahbereich dieser Rahmenantenne (Quelle) werden die Eigenschaften der Felder E und H durch das Verhalten der Quelleigenschaften (Schaltfrequenz, Übergänge usw.) bestimmt. Weiter von der Quelle entfernt jedoch werden die Feldeigenschaften durch das Übergangsmedium bestimmt. Diese separaten und doch miteinander in Verbindung stehenden Phänomena lassen sich folglich zwei Bereichen zuordnen: dem Nahfeld und dem Fernfeld (Bild 2). Der Bereich innerhalb von λ/2π von der Quelle wird dabei als Nahfeld definiert, während wir bei der außerhalb dieses Bereichs liegenden Emissionen vom Fernfeld sprechen.

Im Nahfeld müssen die Felder E und H separat betrachtet werden, da das Verhältnis zwischen den beiden, definiert als Wellenwiderstand E/H, nicht konstant ist. Im Fernfeld dagegen bilden diese Felder gemeinsam eine ebene Welle. Aus diesem Grund werden das elektrische Feld E und das magnetische Feld H nur im Kontext des Nahfeldes beschrieben. Wird die Quelle mit einem starken Strom und bei niedriger Spannung betrieben, so spricht man von einem dominanten Magnetfeld, während bei schwachem Strom und hoher Spannung das elektrische Feld dominant ist.

Bei einer Rahmenantenne ist das magnetische Feld im Bereich der Quelle stark, was dort zu einem niedrigen Wellenwiderstand führt. Nimmt der Abstand von der Quelle zu, dann schwächt sich dieses Magnetfeld ab und erzeugt gleichzeitig ein elektrisches Feld, das rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Feldes H steht. Bewegt man sich von der Quelle fort, dann erfolgt die Abschwächung des Magnetfeldes um den Faktor (1/r)3und die Abschwächung des elektrischen Feldes um den Faktor (1/r)2 (wobei r der Abstand ist).

Bei einer geraden Drahtantenne ist der Wellenwiderstand hoch, denn das elektrische Feld im Bereich der Quelle ist dominant. Die Abschwächungseigenschaften sind denen der Rahmenantenne genau entgegengesetzt.

EM-Strahlungsverhalten der verschiedenen Spulen

Wie oben beschrieben, ist die Abstrahlung elektromagnetischer Felder von Speicherinduktivitäten in DC/DC-Wandlern kein zu vernachlässigender Faktor, dies gilt insbesondere bei Berücksichtigung von Typ und Abstand der umgebenden Bauteile und deren Anfälligkeit für magnetische Kopplungen. Da die Sensibilität für diese potentielle EMV-Problematik unter Ingenieuren zugenommen hat, haben die Bauteilhersteller reagiert und bieten nun ein erweitertes Portfolio an, welches zusätzlich zu konventionellen ungeschirmten Spulen auch geschirmte sowie halbgeschirmte Exemplare umfassen.

Geschirmte Spulen werden so gefertigt, dass die Wicklung vollständig in einem Formteil aus Material zur magnetischen Schirmung gekapselt ist. Bei ungeschirmten Spulen liegen die Spulenwicklungen normalerweise frei und es gibt auch keine andere magnetische Schirmung. Aufgrund der ungehinderten Ausbreitung von EM-Feldern sind dies normalerweise die stärksten EMV-Störquellen. Bei halbgeschirmten Spulen werden magnetische Materialien meist mit Epoxidharz auf die freiliegenden Windungen aufgebracht.

Wie bereits erwähnt, bietet jeder Spulentyp sowohl Vor- als auch Nachteile. Der wesentliche Vorteil der geschirmten Spule besteht in den relativ schwachen elektromagnetischen Emissionen im Vergleich zu halbgeschirmten und ungeschirmten Spulen. Das grundlegende Emissionsverhalten dieser drei Grundtypen kann man in Bild 4 gut erkennen.

Aber wie die meisten Elektrotechniker wissen, ist das Entwerfen einer neuen Schaltung stets ein Balanceakt. Bei Verstärkung einer wünschenswerten Eigenschaft kann es häufig auch zur Verstärkung unerwünschter Eigenschaften kommen, deren Maximalwerte letztendlich durch die Anforderungen des Gesamtprojekts beschränkt sind. Eine dieser Beschränkungen ist unausweichlich die Baugröße. Geschirmte Spulen zeichnen sich im Vergleich zu ungeschirmten Exemplaren mit denselben Abmessungen durch eine niedrigere Induktivität und Sättigung sowie höhere Fertigungskosten aus. Naheliegender Weise sind Entwickler mit weniger Erfahrung in diesem Fall versucht, eine ungeschirmte Spule auszuwählen, die kleiner und günstiger ist und höhere Sättigungsströme aufweist. Diese Auswahl verursacht am Ende jedoch eine Vielzahl von EMV-Problemen, die sich nach der Designphase nur schwer abfangen lassen.

Würth Elektronik ist einer von wenigen Herstellern, die halbgeschirmte Spulen anbieten, mit denen der Spagat zwischen Platzbedarf, elektrischen Merkmalen und EMV gelingt. Diese eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen Bauteile in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Spulen nicht besonders strahlungssensibel sind.

Die ausgezeichneten Sättigungseigenschaften der halbgeschirmten Speicherinduktivität WE-LQS der Baugröße 8040 (744 040 841 00) sind in Bild 5 dargestellt im Vergleich mit einer geschirmten Spule der WE-PD Serie, Baugröße 7345 (744 777 10) und einer ungeschirmten Spule der WE-PD2-Serie, Baugröße 7850 (744 775 10) veranschaulicht.

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