Eine Einführung in die EMI- und EMV-Messung von Stromversorgungen - Teil 1: Leitungsgeführte EMI

Elektronische Geräte sind in fast allen Lebensbereichen zu finden, und die zunehmende Verbreitung dieser Geräte wirft die Frage auf, inwieweit sie sich gegenseitig stören. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Interferenz (EMI) sind Größen, anhand derer wir feststellen, wie gut elektronische Geräte und Systeme zusammenspielen.

Mit EMI-Messungen wird ermittelt, wie gut ein Gerät Interferenzen mit anderen Geräten oder Systemen begrenzt. Das Gegenstück dazu sind EMV-Messungen, bei denen quantifiziert wird, wie sich externe Systeme auf den Betrieb eines zu prüfenden elektronischen Geräts auswirken.

Es gibt eine Vielzahl nationaler und internationaler Normen, die zur Minimierung von Störungen und zur Gewährleistung der Kompatibilität aller elektronischen Geräte und Systeme festgelegt wurden. Zu diesen Normungsorganisationen gehören das Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR), die International Electrotechnical Commission (IEC), die International Organization for Standardization (ISO), die Society of Automotive Engineers (SAE), die Federal Communications Commission (FCC) und einige andere.

Die Abnahmeprüfung von Elektronik ist für alle Hersteller ein Ritual, und die Entwickler sollten sich über die Arten der Prüfung und die Spezifikationsgrenzen im Klaren sein, bevor sie mit der Entwicklung beginnen. Ebenso sollten Entwicklungsingenieure und -techniker in der Lage sein, Vorab-Konformitätstests durchzuführen, um unerwartete Verzögerungen bei der Produktabnahme und -einführung zu minimieren.

Die Entwicklung von Stromversorgungen unter dem Gesichtspunkt der EMI stellt den Entwicklungsingenieur vor zahlreiche Herausforderungen. Störungen können sich von der Stromversorgung über die Luft ausbreiten (abgestrahlte Störungen) oder durch die Verkabelung des Geräts geleitet werden (leitungsgebundene Störungen). Die Prüfnormen enthalten Messungen für beide Arten von Störungen. Der Rest dieses Beitrags wird sich mit der leitungsgebundenen EMI befassen.

Durchgeführte EMI-Tests

Leitungsgebundene Störungen in einer Stromversorgung entstehen durch den diskontinuierlichen Stromfluss in einem Schaltnetzteil. Leitungsgebundene Störungen werden in zwei Komponenten aufgeteilt: Gleichtakt- und Differenzsignale (Abbildung 1). Beachten Sie, dass Gleichtaktsignale in den Leitungen zwischen der Stromquelle und dem zu prüfenden Gerät (DUT), in diesem Fall ein Netzteil, in die gleiche Richtung laufen. Die Masseleitung sorgt für die notwendige Rückleitung. Differenzsignale laufen in entgegengesetzte Richtungen.

Abbildung 1: Die leitungsgebundene EMI setzt sich aus Gleichtakt- und Differenzkomponenten zusammen, je nach Richtung des Signalflusses zwischen dem Prüfling und der Stromquelle. (Bildquelle: Art Pini)

Für die Prüfung leitungsgebundener Störaussendungen ist ein Leitungsimpedanz-Stabilisierungsnetz (LISN) erforderlich, das zwischen der Stromquelle und dem Prüfling installiert wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Beispiel für ein LISN, das zwischen der Stromquelle (Leitung, L, und Nullleiter, N) und der zu prüfenden Stromversorgung angebracht ist. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das LISN ist im Grunde ein Tiefpassfilter, der in Reihe mit der Stromquelle geschaltet ist. Es soll eine stabile, bekannte Quellenimpedanz über den zu prüfenden Frequenzbereich sicherstellen. Außerdem sorgt es für eine Isolierung zwischen der Stromquelle und dem Prüfling sowie der Messausrüstung von der Eingangsstromquelle. Beachten Sie, dass es auch einen Anschluss für die Messinstrumente, normalerweise einen Spektrumanalysator oder EMI-Empfänger, bei sicheren Amplitudenpegeln bietet.

Die Spektrumanalysator-Energiemanagement-Board DC2130A von Analog Devices ist ein Dual-LISN. Ein Teil des Evaluierungsboards bietet eine Dämpfung von 10 Dezibel (dB) über einen Frequenzbereich von bis zu 800 Megahertz (MHz) für den Messanschluss. Der andere Teil bietet eine Verstärkung von 30 dB, um kleine EMI-Signale über einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 2,5 Gigahertz (GHz) zu verstärken. Die einzelnen Abschnitte können unabhängig voneinander verwendet oder kombiniert werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Aufbau des DC2130A unter Verwendung der -10 dB und +30 dB LISNs zur Gleichtaktisolierung. Das Netzteil/die Batterie versorgt den +30-dB-Verstärker mit Strom. (Bildquelle: Analog Devices)

Zur Minderung der leitungsgebundenen EMI in einem bestehenden Design wird normalerweise ein EMI-Filter zwischen der Stromquelle und dem Stromeingang des Prüflings eingebaut. Die neuesten Entwürfe für DC/DC-Wandler enthalten integrierte aktive EMI-Filter, die eine bessere EMI-Reduzierung auf kleinerer Fläche bieten als Filter aus diskreten Komponenten.

Ein Beispiel für ein solches aktives Filter ist in das Evaluierungsboard LM25149-Q1EVM-2100 von Texas Instruments integriert (Abbildung 4). Dieses Board verwendet den synchronen Abwärtswandler LM25149-QI mit einem aktiven EMI-Filter. Der Wandler verfügt außerdem über eine Spreizspektrummodulation, bei der der Schalttakt frequenzmoduliert wird, um etwaige EMI über einen Frequenzbereich zu verteilen und so die Spitzenamplituden zu reduzieren.

Abbildung 4: Das Evaluierungsboard LM25149-Q1EVM-2100 verwendet einen aktiven EMI-Filter sowie eine Spreizspektrummodulation. Letzteres verteilt die EMI über eine Reihe von Frequenzen, um die Spitzenamplituden zu reduzieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bei dieser Evaluierungsplatine kann die Wirksamkeit dieser Techniken in einem Test nach CISPR 25 Klasse 5 für leitungsgebundene Emissionen beobachtet werden, bei dem die leitungsgebundene EMI ohne aktivierte Störungsminderungsfunktion mit dem Betrieb mit aktivem EMI-Filter und Spreizspektrumschaltung verglichen wird (Abbildung 5). Die Tests verwenden Spektraldiagramme der EMI-Amplitude in dB gegenüber der Frequenz.

Abbildung 5: Diagramme der leitungsgebundenen Emissionen nach CISPR 25 Klasse 5 zum Vergleich der EMI-Werte zwischen dem Betrieb ohne EMI-Minderung (a) und den EMI-Werten mit aktivem EMI-Filter und aktiviertem Spreizspektrum (b). (Bildquelle: Texas Instruments)

Die roten horizontalen Linien markieren die Spitzen- und Durchschnittswerte der leitungsgebundenen EMI für die Zertifizierung nach CISPR 25 Klasse 5. Das gemessene Spitzenspektrum, das in gelb dargestellt ist, entspricht bei der Schaltfrequenz von 2,1 MHz in etwa dem Spitzenwert der Testgrenze und überschreitet die durchschnittliche Testgrenze. Mit EMI-Filterung und Spreizspektrumsschaltung liegen beide Spitzenwerte weit unter den Testgrenzen.

Fazit

Die Allgegenwärtigkeit elektronischer Geräte macht die EMI- und EMV-Prüfung und -Entschärfung immer wichtiger, aber sie ist eine komplexe Kunst. Es gibt jedoch einige grundlegende Prinzipien. Wie gezeigt, sind für die Prüfung der leitungsgebundenen EMI eine Stromquelle, LISNs und ein Spektrumanalysator oder EMI-Empfänger erforderlich. Teil 2 dieser Serie behandelt das Testen abgestrahlter EMI.