Mit Speicherdrosseln die EMV von Schaltreglern sicherstellen

Autor / Redakteur: Ranjith Bramanpalli * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

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.

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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-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.

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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.

Auswirkung des Wicklungs­anfangs der Spule

Ein für die EMV wesentlicher Aspekt, welcher häufig übersehen wird, ist die Orientierung des Wicklungsanfangs, welcher durch einen „Punkt“ auf der Spule markiert ist (Bild 6). Es ist wichtig, die mit dieser Markierung versehene Spulenseite möglichst nah am Schaltknoten anzuschließen, da an dieser Seite der höchste dU/dt-Wert auftritt und dadurch Störeinflüsse hier am stärksten sind. Auf diese Weise wird der Wechselstromfluss vom Schaltknoten beim Schalten durch die äußeren Wicklungen abgeschirmt. Wird dagegen das unmarkierte Ende mit dem Schaltknoten verbunden, treten die AC-Flussspannungen an der äußeren Wicklung auf. Dies kann zu elektrischen oder kapazitiven Kopplungen inakzeptabler Stärke führen.

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Magnetisch geschirmte Spulen schirmen die dominante Strahlung des H-Feldes wirksam ab, sind jedoch nicht unter allen Umständen in der Lage, die dominante E-Feldstrahlung zu schirmen. Die Wirksamkeit der E-Feldschirmung hängt von den Materialeigenschaften und der Permeabilität ab: Je höher die Stärke und Permeabilität des Kernmaterials, desto wirksamer ist die Schirmung des E-Feldes durch die Spule.

Wir haben exemplarisch die E-Feldemissionen einer geschirmten Speicherinduktivität von Würth Elektronik gemessen. Der Transistor des Schaltreglers wurde mit einer Frequenz von 400 kHz betrieben und erzeugte dabei die Grundresonanz und nachfolgende Oberwellen. Das Spektrum zeigt eindeutig, dass die E-Feldemissionen wesentlich niedriger sind, wenn das mit dem Punkt markierte Ende der Spule mit dem Schaltknoten verbunden ist (Bild 7). Es wird aufgrund dessen empfohlen, die Spule mit korrekter Ausrichtung zu verwenden. Dagegen sind die H-Feldemissionen quasi unbeeinflusst von der Ausrichtung der Induktivität (Bild 8).

EM-Strahlung durch den Einfluss von Schaltübergängen

Elektromagnetische Störungen können nur auftreten, wenn eine Strahlungsquelle, ein Übertragungsmedium und eine Störsenke vorhanden sind. Bei steigenden Schaltfrequenzen nutzen DC/DC-Wandler kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten des Schaltwandlers, um die Schaltverluste gering zu halten. Hierdurch entstehen jedoch steile Flanken am Schaltknoten, begleitet von „Klingeln“ und Nadelimpulsen (Bild 9). Der resultierende Überschwingungsbereich und die Wellenform der Spulenspannung sind in Bild 10 dargestellt.

Aufgrund der Schwingungen am Schaltknoten, der schnellen Übergänge und der hohen Schaltfrequenz ist die Auswahl einer geeigneten Spule zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich. Normalerweise liegt die Klingelfrequenz im Bereich zwischen 100 und 200 MHz. Geschirmte Spulen sind häufig so ausgelegt, dass die Schaltgrundfrequenz, nicht aber die höheren Klingelfrequenzen, geschirmt werden. Die Wirksamkeit bei der Abschwächung von Emissionen in diesen Frequenzbereichen hängt in hohem Maße von den Eigenschaften der Spule ab – vor allem von Kernmaterial (Bild 11) und Materialstärke.

Im Allgemeinen ist die Schirmwirkung von Speicherinduktivitäten mit Eisen- oder Metalllegierungspulver im Frequenzbereich über 1 MHz bei der E-Feld Abschirmung stark beschränkt. Als Alternative wäre der Einsatz von Spulen aus MnZn oder NiZn zu erwägen, die bei höheren Schaltfrequenzen bessere Eigenschaften mit sich bringen.

Die Auswirkung auf die Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern beim Ändern des Kernmaterials ist nachfolgend in den Bilden 12 und 13 dargestellt. Der im Test verwendete DC/DC-Wandler hat eine Schaltfrequenz von 400 kHz, die Klingelfrequenz beim Schaltknoten beläuft sich auf etwa 180 MHz. Wie veranschaulicht, ist eine Spule mit NiZn als Kernmaterial (WE-PD 744 771 402 2) bei der Begrenzung der H- und E-Feldstrahlung bei höheren Frequenzen effektiver als eine Spule mit MnZn als Kernmaterial (WE-HCF 744 363 022 0).

Sättigungs- und Schirmungs­eigenschaften von Drosseln

Jedes Kernmaterial weist jeweils inhärente Vor- und Nachteile auf, wodurch es für bestimmte Anwendungen besonders geeignet ist. In Fällen, in denen ein Kernmaterial nicht ersetzt werden kann, ist unter Umständen der Einsatz externer Lösungen notwendig, um Emissionen in den Griff zu bekommen. So weisen zwar Spulen mit Kern aus Eisenpulver oder Metalllegierungen hervorragende Sättigungseigenschaften auf und können extrem kompakt sein, jedoch sind ihre Schirmungseigenschaften oberhalb von 1 MHz beschränkt. Daher ist zur Abschirmung, der durch die mit einer kurzen Schaltübergangsdauer einhergehende Klingelfrequenz verursachten Emissionen, möglicherweise eine externe Schirmung erforderlich, um die EMV Richtlinien zu erfüllen. Lösungen mit Metall- und magnetischen Schirmungen können je nach Anwendung noch optimiert werden.

Hauptbestandteile von Metallschirmungen sind i.d.R. Kupfer, Aluminium, Metalllegierungen und Verbundmischungen – ausgeführt als ein Gehäuse, das die Quelle (Spule) umfasst, um Störungen zu reflektieren oder zu absorbieren. Stärke und Typ des Materials können nach Faktoren wie Schirmungseffizienz, Frequenz (Bild 14) und Kosten ausgewählt werden. Interessanterweise integrieren einige Hersteller von Eisenpulverspulen eine Metallbrücke auf der Spule, um die Schirmungsleistung zu optimieren. Allerdings muss dieser Ansatz nicht unbedingt von Vorteil sein, denn solche Spulen erweisen sich hinsichtlich der Konstruktions- und Emissionsanforderungen als weniger flexibel, haben sie doch in einem bestimmten Schaltfrequenzbereich und bei festen Quelleigenschaften nur eingeschränkte Wirkung.

Alternativ lässt sich die magnetische Schirmung mit magnetischen Materialien oder Mu-Metallen realisieren, deren Wirksamkeit von der Permeabilität, dem Wellenwiderstand und der Stärke des verwendeten Materials abhängig ist, wie in Bild 14 zu sehen ist.

Schirmungswirkung von Schirmmaterialien im Nahfeld

Wie bereits erwähnt, liegt die Klingelfrequenz des Schaltknotens bei der einen verwendeten Baugruppe bei etwa 130 MHz, bei der anderen beläuft sie sich auf etwa 180 MHz. Da die Vorteile von Speicherinduktivitäten mit Kernen aus Eisenpulver oder einer Metalllegierung in der Regel nicht aufgehoben werden können, bietet Würth Elektronik eine Vielzahl von Schirmmaterialien aus Metall und Mu-Metall, beispielsweise Kupferband, verschiedene Schirmgehäuse aus Verbundmetallen mit und ohne Lüftung, NiZn- und Ferritplatten usw. Diese Produkte stellen flexible und anpassungsfähige Lösungen dar, die für spezielle Konstruktionsbeschränkungen geeignet sind und für bestimmte Frequenzbereiche ausgewählt werden können, in denen eine Abschwächung erforderlich ist (Bild 15). So bewirkt eine Metallschirmung einer WE-LHMI-Eisenpulverspule von Würth Elektronik eine Reduzierung der E-Feldemissionen um 10 dB (Bild 16).

Effektivität der Schirmung im Fernfeld

Die Effektivität der Schirmung ist nicht auf die Nahfeldstrahlung beschränkt. Mit Metall- und Ferritlösungen lassen sich auch im Fernfeld beträchtliche Verbesserungen erzielen. Das weiter oben erwähnte Demoboard, welches als Grundlage für die Messungen dient, wurde in der EMV-Kammer auf Fernfeldstrahlung geprüft. Die Messergebnisse beim Einsatz einer Spule mit Eisenpulverkern in einem 1,5 mm starken Aluminiumschirm ist unten gezeigt (Bilden 17 und 18): Der kritische Frequenzbereich, in welchem die unerwünschten Schwingungen auftraten, wurde ganz erheblich gedämpft. Zudem war eine Abschwächung über den gesamten Frequenzbereich (einschließlich der Oberwellen) zu vermerken. Das Abschirmen der Eisenpulverkernspule mit einer 3 mm starken Ferritplatte hatte eine ähnliche Wirkung (Bild 19).

Unterstützung bei der Wahl von Speicherdrosseln

Elektromagnetische Abstrahlung ist ein unglaublich breites und komplexes Thema. Bereits scheinbar geringfügige Schwankungen bei einzelnen Parameter können Emissionsquellen und damit auch die Nahfeld- und Fernfeldeigenschaften beeinflussen. Die Charakterisierung des Nahfeldes kann ein komplizierter und zeitaufwändiger Prozess sein, denn zum vollständigen Verständnis und zur Behebung von EMV-Problemen sind zahlreiche Experimente und Messungen erforderlich.

Außerdem müssen Emissionen auch aufgrund der Tendenz zu höheren Schaltfrequenzen, mit dem Ziel der Steigerung von Leistungsdichte und Effizienz, die mit der Verfügbarkeit neuer Technologien wie GaN oder SiC in MOSFETs einhergehen, genauer beachtet werden. Bei höheren Schaltfrequenzen ist der normale Ansatz für magnetische Leistungsbauteile nicht mehr gültig. Würth Elektronik hat schon seit einiger Zeit eine Vielzahl von Schirmungsmaterialien im Sortiment, welche es erlauben eine Vielzahl von Problemen in der EMV-Kammer zu lösen.

Das Entwerfen einer speziellen Speicherinduktivität, die nur unter eingeschränkten, ganz bestimmten Voraussetzungen einsetzbar ist, ist nicht der Ansatz, den man bei Würth Elektronik verfolgt. Denn schon eine geringfügige Änderung am Schaltregler kann die Eigenschaften der Spule ganz erheblich ändern. Für ein gegebenes Design sind jeweils ganz spezifische Bauteile erforderlich. Aus diesem Grund bietet Würth Elektronik ein großes Portfolio von Speicherinduktivitäten in Kombination mit Support und technischer Unterstützung auf höchstem Niveau.

* Ranjith Bramanpalli ist Product Application Engineer, Power Electronics, bei der Würth Elektronik Group in Waldenburg.

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