Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
L-E-A | Dr. Volker Bosch
Beratender Ingenieur / Consultant
Humboldtstr. 21
70771 Leinfelden-Echterdingen
Tel: 0711 713967
Mobil: 0170 1243186
Fax: 0711 48994659
info@dr-bosch.com

 

 

 

EMV-gerechtes Design in der Leistungselektronik

Minimierung von Kommutierungsschleifen In leistungselektronischen Schaltungen treten sogenannte Kommutierungsvorgänge auf. Hierbei wechselt der Strom von einem auf ein anderes elektronisches Bauteil, beispielsweise von einem Transistor (Zustand: Treiben) auf eine (Freilauf-)Diode in den Zustand Freilauf.
Zeichnet man die zugehörigen Strompfade in das Layout der Schaltung ein, so unterscheiden sich die beiden Pfade um eine Fläche, die sogenannte Kommutierungsschleife. Die Größe der von der Kommutierungsschleife umschlossenen Fläche ist ein Maß für den Wert des magnetischen Flusses, der sich bei besagtem Kommutierungsvorgang verändert. Die steilflankige Stromänderung, und damit auch der magnetische Fluss, besitzen einen sehr hohen Gehalt an Oberschwingungen. Um die von der Schaltung emittierten elektromagnetischen Störsignale gering zu halten, sollte die Fläche der Kommutierungsschleife minimiert werden, indem die Bauteile beim Layout der Leiterplatte sorgfältig platziert werden.
Als Beispiel wird hier ein einfacher Tiefsetzsteller (Buck Converter) betrachtet. Im mittleren Bild, das sich durch anklicken vergrößern lässt, sind der Schaltplan des Stellers sowie die (idealisierten) Verläufe verschiedener Signale dargestellt.
Das dritte Bild zeigt das Leiterplatten-Layout eines einfachen Tiefsetzstellers (anklicken zum vergrößern), aufgebaut mit dem integrierten Schaltregler LM2574. Die Strompfade sind farbig für die Zustände Treiben (violett) und Freilauf (grün) dargestellt. Die zugehörige Kommutierungsschleife ist rot hinterlegt.
Das unterste Bild zeigt das auf eine minimale Fläche der Kommutierungsschleife optimierte Leiterplatten-Layout. Dieses ist im Hinblick auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu bevorzugen.
Leiterschleifen Weiteres Optimierungspotential bietet die Minimierung der grünen bzw. violetten Schleife, beispielsweise durch den Einsatz von SMD-Bauteilen für Freilaufdiode und Widerstände. Der in guter Näherung dreieckförmige Stromverlauf in dieser Schleife weist zwar einen deutlich geringeren Anteil von Oberschwingungen auf als die steilflankigen Stromänderungen in der Kommutierungsschleife, darf aber im Hinblick auf ein EMV-gerechtes Design nicht vernachlässigt werden. Aus Sicht der EMV wäre es ideal, durch Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte, zwei Seiten der Schleife deckungsgleich auf verschiedenen Lagen zu führen, so dass die von der Schleife umschlossene Fläche minimal wird und sich die magnetische Durchflutung auf den beiden Lagen weitgehend ausgleichen würden
Masseführung Der Masseanschluss für die Last sollte direkt am Ausgangskondensator Ca abgegriffen werden, um eine Einkopplung des Spannungsabfalls, den der dreieckförmige Stromverlauf in der Impedanz der Leiterbahnen erzeugt, zu vermeiden. Aus dem selben Grund wird die Signalmasse SGnd des Schaltreglers ebenfalls direkt an den Ausgangskondensator Ca angeschlossen.
Dämpfungsperlen (Ferrite Beads) Der erwähnte dreieckförmige Stromverlauf wird in den Kondensatoren Ce und Ca entsprechende Spannungsschwankungen verursachen. Um zu verhindern, dass sich diese Störsignale über die Verbindungsleitungen zur Quelle, bzw. zur Last, ausbreiten oder von diesen abgestrahlt werden, sollten diese Leiterbahnen durch Dämpfungsperlen (Ferrite Beads) entkoppelt werden.