Gleichtaktstörungen Niedriges EMI-Niveau mit Low- und High-seitigen Gleichrichtern

Autor / Redakteur: Max (Jun) Wang * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Struktur eines Flyback-Transformators hat Auswirkungen auf die Gleichtaktstörungen. Um diese zu kompensieren, muss die Transformatorstruktur entsprechend angepasst werden.

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Bild 1: Auf diesen Wegen fließen die Gleichtaktströme.
Bild 1: Auf diesen Wegen fließen die Gleichtaktströme.
(Bild: Texas Instruments)

In vielen Netzteil- und Ladegerät-Designs wird der Wert des Y-Entstörkondensators begrenzt, um den Leckstrom in Grenzen zu halten, was wiederum der Empfindlichkeit und Leistungsfähigkeit von Touchscreens zugutekommt. Reduziert man den Kapazitätswert des Y-Kondensators, so erfordert dies jedoch meist die Verwendung größerer Gleichtaktdrosseln, was wiederum die Kosten, die Größe und das Gewicht in die Höhe treibt und den Wirkungsgrad beeinträchtigt.

Ein mit hoher Schaltfrequenz arbeitender Active-Clamp-Sperrwandler auf Galliumnitrid-Basis (GaN) erzielt geringe Gleichtaktstörungen und hält die EMI-Normen ein, auch wenn ein Y-Kondensator geringer Kapazität verwendet wird. Als Controller kommt der UCC28782 von Texas Instruments zum Einsatz. In diesem Beitrag geht es darum, wie der innere Aufbau des Transformators die Gleichtaktstörungen beeinflusst und wie sich das Design ändert, wenn ein low-seitiger Gleichrichter anstatt eines high-seitigen Gleichrichters verwendet wird.

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Gleichtaktstörungen und ihre Ursachen

Bei Gleichtaktstörungen handelt es sich um hochfrequente Ströme, die zwischen den L- und N-Klemmen des Wechselstromanschlusses und der Erde fließen. Das Netzanschlusskabel und die Ausgangsleitung des Netzteils fungieren hierbei als Antennen. Um zu verhindern, dass Funkstörungen drahtlose Kommunikationsgeräte in der Nachbarschaft beeinträchtigt, gilt es, die Amplitude der Gleichtaktstörungen gemäß den einschlägigen EMI-Norm zu begrenzen.

Wie Bild 1 zeigt, können Gleichtaktströme über die parasitäre Kapazität eines jeden geschalteten Knotens direkt von der Stromversorgung zur Erde fließen. Ebenso sorgt die parasitäre Kapazität zwischen den beiden Transformatorwicklungen dafür, dass auch hier Gleichtaktströme fließen können. Die Gleichtakteigenschaften hängen in hohem Maße vom Layout und der mechanischen Konstruktion der Leiterplatte und dem internen Aufbau des Transformators ab.

Wie sich Gleichtaktstörungen eindämmen lassen

Abhilfe lässt sich auf drei Wegen schaffen:

  • Abschirmung der Quellen von Gleichtaktstörungen,
  • Wahl einer auf geringe Gleichtaktstörungen ausgerichteten Schaltungskonfiguration (insbesondere des Transformators),
  • Begrenzung der Gleichtaktstörungen durch hinreichende Filtermaßnahmen.

Die internen Wicklungen des Transformators lassen sich auf zweierlei Weise anordnen, um zu einer Reduzierung der Gleichtaktstörungen beizutragen: Eine ist für einen high-seitigen Synchrongleichrichter (Synchronous Rectifier, SR) ausgelegt, die andere für einen low-seitigen SR.

Auswirkungen der Transformatorstruktur

Bild 2 zeigt den Querschnitt durch einen typischen Flyback-Transformator mit verschachtelter Wicklung, und in Bild 3 ist zu sehen, wie ein solcher Transformator in einer Active-Clamp-Leistungsstufe mit low- bzw. high-seitigem SR verschaltet wird. Der einzige Unterschied ist die Polarität der Spannung an der Sekundärwicklung: im Fall des high-seitigen SR ist sie phasengleich mit der Primärspannung, bei einem low-seitigen SR dagegen phasenversetzt (gegenphasig).

Oftmals werden SR-FETs anstelle von Dioden verwendet, um den Wirkungsgrad des Synchrongleichrichters zu verbessern. Ein low-seitiger SR-FET vereinfacht die Ansteuerung und Strommessung, verursacht aber wegen der Polaritätsumkehr der Sekundärwicklung höhere Gleichtaktstörungen.

In Bild 4 sind die einzelnen Wicklungslagen der Einfachheit halber als farbige Rechtecke symbolisiert. Angegeben sind auch die parasitären Kapazitäten zwischen den einzelnen Lagen und die an diesen Kapazitäten liegenden Spannungen. Bei low-seitigem SR schlägt die Sekundärspannung stets entgegengesetzt zur Primärspannung aus, was unter dem Strich einen additiven Effekt auf die Gleichtaktspannung zwischen Primär- und Sekundärlagen hat.

Bei einem high-seitigen SR ergibt sich der Vorteil, dass alle Spannungen von gleicher Polarität sind, wodurch sie sich in gewissem Umfang gegenseitig aufheben, indem sich die Gleichtaktspannung zwischen Primär- und Sekundärseite unter dem Strich verringert. Das Ausmaß der gegenseitigen Aufhebung hängt von den Spannungen an der Primär- und der Sekundärwicklung, der Zahl der Wicklungslagen und der Anordnung dieser Lagen ab.

Gleichtaktstörungen bei low- und high-seitigen SRs dämpfen

Um die unter dem Strich entstehende Gleichtaktspannung möglichst weit zu reduzieren, ist in eine geringfügige Änderung an der Transformatorstruktur erforderlich (Bild 5a). Die Sekundärwicklung wird dabei zwischen zwei Hilfswicklungen eingebettet, die zur Abschirmung bzw. zum Gleichtakt-Ausgleich dienen. Die äußere, auf die Primärwicklung bezogene Bias-Hilfswicklung (rot) wandert nach innen in eine der Grenzflächen zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Die Bias-Hilfswicklung hat die gleiche Windungszahl wie die Sekundärlage, weist aber meist einen dünneren Leiterquerschnitt auf, weil die Ströme deutlich geringer sind. Bewickelt man die Hilfslage mit mehreren parallelen Strängen eines dünneren Drahts, wird die Lage komplett ausgefüllt, sodass die Hilfslage als Abschirmung fungieren und verhindern kann, dass Gleichtaktstörungen aus der äußeren Primärlage in die Sekundärlage eingekoppelt werden.

Im Fall des high-seitigen SR sollen durch das Einfügen einer identischen Hilfslage in die andere Grenzfläche zwischen Primär- und Sekundärlage (hierbei handelt es sich um eine Blindlage zum Gleichtaktausgleich) wiederum die Gleichtaktstörungen von der Hauptprimärwicklung abgeschirmt werden. Da aber die Gleichtaktausgleichs-Wicklung die gleiche Windungszahl wie die Sekundärlage und die Bias-Hilfswicklung hat, wird ein Gleichtaktausgleich für die Sekundärlage erreicht. Die Sekundärlage wird durch zwei Hilfslagen – eine an jeder Seite – effektiv abgeschirmt, wobei auf allen drei Lagen exakt die gleiche Spannung induziert wird, was wiederum dafür sorgt, dass der in die Sekundärlage fließende Gleichtaktstrom nahezu null beträgt. Diese Struktur sollte dafür sorgen, dass es sehr geringen Gleichtaktstörungen kommt und dass man mit einem kleineren Gleichtaktfilter auskommt.

Der vereinfachte Aufbau in Bild 5b symbolisiert die Wicklungslagen als Kondensatorplatten und gibt die durchschnittliche Spannung an jeder Platte an. Man erkennt ebenfalls, dass die Gleichtaktströme, die von den Hilfslagen in die Sekundärlage fließen, nahezu null sind, da an beiden Seiten jeder parasitären Kapazität die gleichen Spannungen liegen.

Im Fall des low-seitigen SR kommt die gleiche Struktur zur Anwendung, jedoch addieren sich hier die Gleichtaktsignale wegen der entgegengesetzten Polaritäten der Hilfs- und Sekundärlagen. Die Gleichtakt-Ausgleichslage in der anderen Grenzfläche zwischen Primär- und Sekundärlage ist auch hier mit mehreren parallelen Strängen bewickelt, um die Lage zu Abschirmungszwecken komplett auszufüllen. Die Gleichtakt-Ausgleichslage aber benötigt mehr Windungen, um den Stromfluss zwischen der Bias-Hilfslage und der Sekundärlage zu kompensieren.

Berechnet man im Fall des low-seitigen SR die ideale Windungszahl für die Kompensationslage, so zeigt sich, dass in diesem Fall eine Kompensationslage mit 15 Windungen erforderlich ist, wenn die Sekundär- und die Bias-Lage je fünf Windungen aufweisen. Bei einem high-seitigen SR wären dagegen nur fünf Windungen für die Kompensationslage erforderlich. Häufig muss die optimale Windungszahl in mehreren Versuchen iterativ ermittelt werden.

Abgesehen von der in Bild 5 gezeigten Lösung kommen noch viele weitere Strukturen in Frage, um eine ähnliche Gleichtaktkompensation für andere Anwendungen zu erzielen. Für welchen Aufbau man sich letztendlich entscheidet, hängt beispielsweise von den Kosten (durch die Kompensationslagen erhöhen sich die Herstellungskosten des Transformators), der Streuinduktivität (diese erhöht sich durch das Einfügen zusätzlicher Lagen zwischen die Primär- und Sekundärlagen), der parasitären Kapazität des Transformators und der Reproduzierbarkeit der gewählten Lösung in der Großserien-Produktion ab.

EMI-Testergebnisse

In den Bildern 6 und 7 sind die leitungsgeführten Störgrößen des finalen Designs mit low-seitigem SR dargestellt. Wie man sieht, liegen die Werte deutlich unter den Grenzwerten der Europäischen Norm (EN) 55032 Klasse B. Die prinzipbedingt geringen Gleichtaktstörungen der kompensierten Transformatorstruktur erlauben die Verwendung eines niedrigen Kapazitätswerts von nur 330 pF für den Y-Kondensator des Gleichtaktfilters, ohne dass die EMI-Grenzwerte gemäß EN 55032 Klasse B überschritten werden. Ebenfalls wegen der gleichtaktkompensierten Transformatorstruktur kommt die Lösung mit high-seitigem SR auf vergleichbare Ergebnisse.

Eine hohe Netzspannung (230 V AC) stellt typisch den Engpass in Sachen EMI dar. Der Grund ist der Mangel an „freiem“ Frequenz-Dithering infolge der reduzierten Spannungswelligkeit des Bulk-Kondensators und die daraus resultierende Verringerung der Schaltfrequenz-Variation über eine Netzhalbwelle. Das eingebaute Frequenz-Dithering des UCC28782 bei hoher Netzspannung hilft, die elektromagnetischen Interferenzen einzudämmen und die Normen mit mehr Spielraum einzuhalten, was der Flexibilität zur Verwendung von Y-Kondensatoren mit niedrigen Kapazitätswerten zugutekommt. Wie die Bilder 6 und 7 erkennen lassen, werden die Normen sowohl bei niedriger als auch bei hoher Netzspannung mit ähnlichem Spielraum eingehalten.

Zusammenfassung

Der vorliegende Artikel hat gezeigt, dass die Struktur des Flyback-Transformators Auswirkungen auf die Gleichtaktstörungen hat. Um die Gleichtaktstörungen bestmöglich zu kompensieren, muss die Transformatorstruktur gemäß der Anordnung des Gleichrichters angepasst werden. Die Beantwortung der Frage, wie sich die Anordnung des Gleichrichters auf die Erzeugung von Gleichtaktstörungen auswirkt, liefert Erkenntnisse darüber, wie die Transformatorstruktur in beiden Fällen geändert werden muss, um die Gleichtaktstörungen einzudämmen. Die grundlegend geringen Gleichtaktstörungen bei high-seitigem SR ermöglichen die Verwendung einer einfacheren Struktur innerhalb des Transformators als bei Designs mit low-seitigem SR.

Das prinzipbedingt niedrige Niveau der Gleichtaktstörungen bei dieser Flyback-Transformatorstruktur macht es möglich, für den EMI-Filter auf einen Y-Kondensator geringer Kapazität zurückzugreifen. Dies ist von großem Vorteil für Touchscreen-Anwendungen, die nach einem geringen Leckstrom verlangen, um mehr Auflösung und Empfindlichkeit zu erreichen.

Literaturnachweis

[1] Bernard Keogh und Joe Leisten: „Practical EMI Considerations for Low-Power AC-DC Supplies”, TI Power Supply Design Seminar SEM2400 (SLUP394), November 2020.

[2] Bernard Keogh und Isaac Cohen: „Flyback transformer design considerations for efficiency and EMI”, TI Power Supply Design Seminar SEM2200 (SLUP338), November 2017.

[3] Bob Mammano und Bruce Carsten: „Understanding and Optimizing Electromagnetic Compatibility in Switchmode Power Supplies”, TI Power Supply Design Seminar SEM1500 (SLUP202), November 2002.

* Max (Jun) Wang ist Systems Engineer im Power Design Services Team bei Texas Instruments in Shanghai (China).

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