Was bei isolierten 1-W-DC/DC-Wandlern zu beachten ist

| Autor / Redakteur: Timur Uludag * / Thomas Kuther

Die WE-FISM (Fixed Isolated SIP Module) MagI3C Power Module integrieren Transistoren, Gleichrichterdioden, den isolierten Transformator sowie Eingangs- und Ausgangskapazitäten.
Die WE-FISM (Fixed Isolated SIP Module) MagI3C Power Module integrieren Transistoren, Gleichrichterdioden, den isolierten Transformator sowie Eingangs- und Ausgangskapazitäten. (Bild: Würth Elektronik eiSos)

Bei der genauen Untersuchung von DC/DC-Wandlermodulen im unteren Leistungsbereich, die eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang bieten, stellen sich mehrere Fragen. In diesem Beitrag werden einige der wichtigsten Aspekte beleuchtet, z.B., ob überhaupt ein isoliertes Leistungsmodul benötigt wird, was die Datenblatt-Spezifikationen IEC/EN 60 950-1 und 4000 VDC für 1-s-Spezifikation bedeuten und welche Lösungen von Würth Elektronik erhältlich sind.

Wozu braucht man überhaupt ein isoliertes Power Modul? Das Prinzipschaltbild in Bild 1 zeigt einen typischen Anwendungsfall eines isolierten Power Moduls. Es zeigt den Aufbau einer isolierten RS485 Kommunikation mit den wesentlichen Funktionseinheiten.

Um eine isolierte Kommunikation aufzubauen sind folgende Funktionseinheiten nötig: Die Micro Controller Unit (MCU) stellt die Daten für den RS485--Transceiver bereit und empfängt Daten vom RS485 Transceiver. Die Signal Isolation-Einheit realisiert die galvanische Trennung der Signale durch Optokoppler. Eine galvanische Trennung der Massen zwischen Signal-Isolation- und Transceiver-Einheit wird durch die Power Isolation-Einheit erreicht; einem DC/DC-Wandler Power Module.

Aber warum sollte man eine Versorgung von einem Bus oder Schaltungsteile generell voneinander galvanisch isolieren? Eine galvanische Isolierung verhindert Störungen die sich von der Versorgungsspannung auf den Bus fortpflanzen können und damit diesen stören. Genauer werden wir dieser Frage im Folgenden nachgehen.

Masseschleifen und wie man sie beseitigt

Eine Masse erfüllt prinzipiell zwei Hauptaufgaben. Sie dient zum einen als Bezugspotential für sämtliche Teile in einer Schaltung und zum anderen als Potentialausgleich und somit als Rückleiter für Ströme. Ist eine Spannung in einer Schaltung auf Masse bezogen, eine sog. unsymmetrische Schaltungsstruktur, können Masseschleifen entstehen. Diese entstehen immer dann, wenn zwei Massepunkte einer räumlich voneinander getrennten Schaltung an mehreren Punkten elektrisch verbunden sind.

Das Bild zeigt eine vereinfachte Prinzipschaltung aus zwei Funktionseinheiten (Block 1 – Quelle; Block 2 – Senke). Durch die räumliche Ausdehnung der Masse zwischen Block 1 und Block 2 entsteht eine nicht zu vernachlässigende Leitungsimpedanz ZQuelle. Fließt nun in der „Rückleitung von Block 2 zu Block 1“, d.h. auf der Masse ein Strom I, erzeugt dieser an der Leitungsimpedanz ZQuelle einen Spannungsabfall UM1/M2. Durch diesen Spannungsabfall verschieben sich die jeweiligen Massepotentiale M1 und M2.

Macht man nun eine Spannungsmessung vom Eingang gegenüber dem Ausgangsmassepunkt bzw. den Ausgang gegenüber dem Eingangsmassepunkt so sieht man diese Spannung als Gleichtaktstörspannung. Solange aber die Masse M1 und die Masse M2 nicht noch über eine weitere elektrische Verbindung miteinander verbunden sind bleibt diese ohne Folgen.

Erst wenn die beiden Masseknoten M1 und M2 durch eine zusätzliche Verbindung miteinander verbunden werden, kann ein Störstrom fließen. Dieser erzeugt wiederum an der Leitungsimpedanz ZSenke einen Spannungsabfall – was wiederum zu Gleichtaktstörungen führt. Eine zusätzliche Verbindung entsteht z.B. dadurch dass ein weiterer Schaltungsteil wie in Bild 2 dargestellt mit seiner Massestruktur der bestehenden Massestruktur eingefügt wird.

Die Dämpfung der beschriebenen Störungen kann durch die Wahl geeigneter Entkoppelungsmethoden erreicht werden. Prinzipiell gibt es hier mehrere Möglichkeiten wobei die folgenden wesentlich sind:

  • Wahl einer geeigneten Massestruktur
  • Systematischer Aufbau einer Sternmassenstruktur (Sternbaum, Bypass),
  • Galvanische Trennung.

In Bild 3 ist der Aufbau einer Entkoppelung durch galvanische Trennung zu sehen. Durch die galvanische Trennung wird ein sehr hoher Isolationswiderstand mit entkoppelnder Wirkung in die Massestruktur der beiden Schaltungsteile Block 1 und Block 2 eingefügt. Ein Störstrom kann somit „nicht“ mehr fließen bzw. sich nur noch über die Koppelkapazität des Transformators zirkulieren. Es wird dann im Allgemeinen davon gesprochen, dass die Masseschleife „aufgebrochen“ wurde.

Verwendung von DC/DC-Leistungsmodulen zur Beseitigung weiterer Störungen:

  • EMV – Durch die räumliche Ausdehnung der Masseschleife z.B. auf einer Leiterkarte kann sie in erster Näherung auch als eine Art Rahmenantenne angesehen werden (siehe Bild 2). Diese Antenne kann nun sowohl Störungen aussenden/auskoppeln wie auch Störungen aus der Umgebung „empfangen“ und somit in die Schaltung einkoppeln. Durch die Trennung mittels DC/DC Power Modul wird diese Rahmenantenne aufgelöst, da kein geschlossener Leiterzug mehr vorhanden ist.
  • Überspannung/Spannungsungleichgewicht – Wird durch einen Fehler oder externe Einwirkung in Block 2 der Schaltung die Spannung UCC2 angehoben so wird durch die galvanische Verbindung auch das Spannungspotential von UCC1 erhöht. Dies kann dazu führen, dass der Ausgang durch ein das Überschreiten der absoluten Maximalwerte irreparabel geschädigt wird. Durch die Trennung mittels DC/DC Power Modul wird ein Ansteigen der Spannung UCC2 ohne Folgen für UCC1 bleiben.
  • Quellenüberlastung – Wird durch einen Kurzschluss am Ausgang von Block 2 aufgrund eines unkontrollierten Stromanstiegs eine thermische Überlastung herbeigeführt, wird bei einer galvanischen Koppelung der beiden Blocks auch Block 1 (Quelle) in Mitleidenschaft gezogen. Dies kann sich im Kurzschlussfall dadurch äußern, dass der Ausgangsstrom von Block 1 auch unkontrolliert ansteigt was wiederum eine thermische Überlastung des Blocks 1 zu Folge haben könnte.

Was bedeutet die Angabe im Datenblatt IEC/EN60950-1?

Die International Electrotechnical Comission (IEC) legt Standards für elektrische Technologien fest. Die so in einem Dokument festgelegten Vorgaben für ein Produkt sind für einen bestimmten Kontext zu erfüllen. Die Anwendung eines Standards ist nur verpflichtend, wenn in Verträgen, Richtlinien oder Gesetzen auf sie referenziert wird.

IEC/EN bedeutet, dass es sich hierbei um eine harmonisierte Norm handelt. Sie findet sowohl international sowie auch national Anwendung. Je nach Applikation bzw. Einsatzgebiet ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die elektrische Sicherheit, was sich durch spezifische Sicherheitsstandards abbilden lässt. In Bild sind die im DC/DC Kleinleistungsbereich gängigsten Standards wiedergegeben (Bild 4).

Die IEC 60950 ist ein Standard der die allgemeinen Anforderungen an die Sicherheit von Geräten wie Computer, Adapter, Schaltnetzteile, elektrische Büroausstattung und EDV-Geräte wie beispielsweise Drucker, Kopierer und Faxgeräte behandelt. Die Angabe im Datenblatt „IEC / EN 60950-1 certified“ besagt, dass das Produkt nach den Vorgaben für das Produkt mit Hinblick auf z.B. elektrische Sicherheit begutachtet wurde und die Tests mit „pass“ bestanden wurden.

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