Messung der Gegentaktstörungen an DC/DC-Schaltreglern

 

Autor: Stefan Klein, Würth Elektronik

Entwickler von getakteten Stromversorgungen stehen der Herausforderung gegenüber, ihre Schaltung EMV-gerecht zu entwickeln. Speziell im Eingangskreis treten leitungsgebundene Störungen auf, wodurch andere elektrische Geräte gestört werden können. Zu Beginn einer EMV-Prüfung von Stromversorgungen werden daher zunächst die leitungsgebundenen Störungen geprüft. Um bereits während der Entwicklungsphase einen Eindruck über mögliche Störungen zu erhalten kann der Entwickler entwicklungsbegleitende Messungen durchführen. Diese Application Note beschreibt das Verfahren zur Untersuchung von Gegentaktstörungen im Eingangskreis von DC/DC-Schaltreglern.

Ursache und Entstehung der Störspannung

Bei leitungsgebundenen Störungen wird in der Störart zwischen Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterschieden. Der dreieckförmige Eingangsstrom des Schaltreglers ist der Nutzstrom und zunächst eine reine Gegentaktstörung. Jedoch kann sich diese Gegentaktstörung bei unsymmetrischen Zuleitungen in eine Gleichtaktstörung umwandeln und führt zur erhöhten elektromagnetischen Abstrahlung über die Zugangsleitungen. Über parasitäre Kapazitäten kann die Gegentaktstörung nach Erde gekoppelt werden und führt zu Gleichtaktstörungen. Abbildung 1 zeigt den typischen Eingangsstroms eines DC/DC-Schaltreglers bei einer Taktfrequenz von 2 MHz. Der Eingangsstrom fließt mit der Taktfrequenz des Schaltreglers und ähnelt im Abbild dem Spulenstrom, der durch die Speicherinduktivität des Schaltreglers fließt. Ausschlaggebend für die Gegentaktstörung ist der Wechselstromanteil des Eingangsstroms, welcher in diesem Beispiel circa 260 mA beträgt. Er gilt mit einem Eingangsfilter auf ein Minimum zu reduzieren. Aufgrund von parasitären Effekten der Zuleitungen und Bauteile im Eingangskreis treten beim Anstieg und Abfall des Eingangsstroms hochfrequente Schwingungen im MHz-Bereich auf.

Abbildung 1: Eingangsstrom eines DC/DC Schaltreglers

Der Eingangsstrom führt über dem ESR des Eingangskondensators und den Impedanzen der Zuleitungen des Schaltreglers zum Spannungsabfall, der sogenannten Störspannung. Sie darf nicht die Zuleitungen der Stromversorgung passieren und muss auf ein Minimum unterdrückt werden. Anhand einer Messung mit dem Oszilloskop lässt sich der unerwünschte Wechselspannungsanteil am Eingangskondensator des Schaltreglers ermitteln. Diese Messung lässt eine erste Aussage über die Störspannung zu. Abbildung 2 zeigt eine solche Messung.

Abbildung 2: Wechselspannungsanteil am Eingangskondensator

In diesem Beispiel liegt ein Elektrolytkondensator mit unbekannten, aber relativ hohem ESR vor, der einen Spitze-Spitze Wert des unerwünschten Wechselspannungsanteils von circa 2,8 V hervorruft. Zusätzlich sind Schwingungen im hohen Frequenzbereich präsent, welche durch parasitäre Effekte hervorgerufen werden. Die Frequenz dieser Schwingung beträgt in diesem Beispiel circa 71 MHz.

Prüfaufbau zur Störspannungsmessung

Bereits entwicklungsbegleitend kann die Messung der Störspannung einer Gegentaktstörung mit einer LISN (Line Impedance Stabilization Network) und einem Spectrumanalyzer durchgeführt werden. In diesem Prüfaufbau bildet die Schaltungsmasse das Bezugspotential. Abbildung 3 zeigt den Prüfaufbau.

Abbildung 3: Prüfaufbau zur Messung der Störspannung
Abbildung 4: Aufbau einer DC-LISN gemäß CISPR 25

Dieser definierte Prüfaufbau ermöglicht reproduzierbare Messungen durchzuführen und sowohl für den Spectrumanalyzer als auch für den Schaltregler eine definierte Impedanz zu generieren. Abbildung 4 zeigt den internen Aufbau einer DC-LISN gemäß CISPR 25. 

Die CISPR 25 wird zur Prüfung von Bordnetzen in Fahrzeugen zugrunde gelegt und kann verwendet werden um DC/DC-Schaltregler einer entwicklungsbegleitenden EMV-Prüfung zu unterziehen. Funktion der LISN ist die Auskopplung der Störspannung als reine Wechselgröße VDiff. Sie wird über den internen 1 kΩ Widerstand gemessen. Der interne Tiefpassfilter der LISN verhindert eine Störung anderer, am Versorgungsnetz angeschlossener elektrischer Geräte. An den Eingangsklemmen der LISN wird die Spannungsquelle VSupp angeschlossen. An den Ausgangsklemmen wird der Prüfling, in diesem Fall der Schaltregler angeschlossen und weiterhin mit der Spannung VDC/DC versorgt. Abbildung 5 zeigt das Ergebnis einer Spitzenwertmessung der Störspannung mit einem Spectrumanalyzer.

Abbildung 5: Spitzenwertmessung der Störspannung unter Volllast

Als Prüfling wurde ein DC/DC-Abwärtsregler ohne Eingangsfilter bei einer Schaltfrequenz von 2 MHz, einer Eingangsspannung von 10 V und einem Eingangseffektivstrom von 0,7 A untersucht. In Abhängigkeit von der Normung wird die Störspannung in verschiedenen Frequenzbereichen ermittelt. In diesem Beispiel wurde gemäß Prüfordnung CISPR 25 die Messung bei einer Startfrequenz von 150 kHz und einer Stoppfrequenz von 108 MHz durchgeführt. Deutlich sichtbar ist die Grundschwingung, korrespondierend zur Schaltfrequenz. Die harmonischen Oberschwingungen, welche bis in den hohen MHz-Bereich reichen, fallen in der Amplitude ab. Mit 128 dBµV ist die Grundschwingung in ihrer Amplitude am größten. Der Störspannungspegel VDiff wird im Allgemeinen durch folgenden Ausdruck (Gl.1) in dBµV definiert:

       (Gl. 1)

Wird Gleichung 1 umgeformt, lässt sich die gemessene Störspannung VRipple annähernd mit Formel 2 bestimmen:

    (Gl. 2)

Hierdurch erhalten wir einen Wert für die Störspannung VRipple von 2,6V. Er entspricht annähernd dem Spitze-Spitze-Wert, der zuvor gemessenen Spannung am Eingangskondensator (Siehe Abbildung 2). Ein Eingangsfilter ist sichtlich erforderlich.

Beispielweise legt die CISPR 25 Class 1 bei schmalbandigen Störungen und einer Frequenz von 2,0 MHz einen Grenzwert des Spitzenwerts von 66 dBµV fest. Die Grenzwerte gemäß CISPR 25 und anderen Normen gelten allerdings nicht für solche entwicklungsbegleitende Messungen, da die Messung der Gegentaktstörungen nicht in den EMV-Normen definiert ist. Jedoch können sie herangezogen werden um eine grobe Bewertung der Störaussendung in Stromversorgungen zu treffen. Um die maximale Störaussendung ermitteln zu können wird üblicherweise der Worst Case betrachtet. Bei Schaltreglern werden daher die Messungen bei Volllast und kleinster Eingangsspannung durchgeführt. Um dies zu verdeutlichen, wurde der gleiche Prüfling im Gegensatz zur ersten Messung mit einem Laststrom von nur 50 mA belastet. Abbildung 6 zeigt diese Messung.

Abbildung 6: Spitzenwertmessung der Störspannung bei geringer Last

Die Messung in Abbildung 6 zeigt, dass die Störaussendung bei geringer Last in höherem Frequenzbereich geringer ausfällt. Die Grundschwingung weist in diesem Fall einen Wert von 112 dBµV auf und ist im Vergleich zur Volllast nur um 16 dB geringer, jedoch nicht zu vernachlässigen.

Detektoren zur Bewertung der Störspannung

Wird der Prüfling in einem akkreditieren Labor der EMV-Prüfung unterzogen, so werden die Gleichtaktstörungen bezogen auf Erde gemessen. Gemäß Norm wird dann nicht der Spitzenwert sondern der Quasi- und Average-Peak gemessen. Diese Anzeigearten werden üblicherweise zur Bewertung von Messungen der Gleichtaktstörungen gewählt. Viele hochwertige Spectrumanalyzer verfügen auch über Quasi- und Average-Peak Detektoren. Abbildung 7 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild der Eingangsstufe eines Spectrumanalyzers.

Abbildung 7: Eingangsstufe des Spectrumanalyzers

Die gemessene Störspannung wird über den Eingangsabschwächer (1) zum Bandfilter (2) geführt und anschließend im Mischer (3) mit einer Zwischenfrequenz fIF von einem Oszillator überlagert. Im Zwischenfrequenzverstärker (4) wird das Mischprodukt verstärkt und dem Detektor (5) zugeführt. Am Ausgang des Detektors wird die zu bewertende Anzeigeart der Störspannung gewählt. Abbildung 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Average-Peak Detektors.

Abbildung 8: Average-Peak Detektor

Im Average-Peak Detektor wird zunächst die verstärkte Zwischenfrequenzspannung VIF durch eine Diode gleichgerichtet, welche den Speicherkondensator CS auf den Momentanwert der Hüllkurve auflädt. Der Widerstand RD dient der späteren Entladung vom Kondensator CS. Im Anschluss wird die Spannung der Hüllkurve über den Tiefpass aus RM und CM geglättet, so dass sich letztendlich am Kondensator CM der arithmetische Mittelwert VM, der Average-Peak, einstellt. Diese Anzeigeart wird gewählt, weil mit ihr modulierte Trägerfrequenzen wie sie bei Schaltreglern vorkommen, angezeigt und bewertet werden können.

Beim Quasi-Peak Detektor wird ähnlich wie beim Average-Peak Detektor ein Speicherkondensator CS aufgeladen. Abbildung 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Quais-Peak Detektors.

Abbildung 9: Quasi-Peak Detektor

Über die Diode wird zunächst die Zwischenfrequenzspannung VIF gleichgerichtet. Anschließend wird über den Ladewiderstand RL der Speicherkondensator CS mit der Zeitkonstante RL•CS geladen. Der Speicherkondensator CS kann dann mit der Zeitkonstante RD•CS entladen werden. Die Anzeigeeinrichtung des Spectrumanalyzers, hier das Messinstrument M, zeigt dann den Mittelwert der Lade und Entladepulse des Speicherkondensators als Quasi-Peak an. In dieser Anzeigeart wird der elektrische Wert der Störspannung in eine Anzeige umgewandelt, die dem Störeindruck des menschlichen Ohrs entspricht und z.B. beim Rundfunkempfang als Knackstörung empfunden wird.

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