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EMV Filter Design Theorie und Praxis Tobias Hofer August 2014

Programm

Die Firma HSi EMV Phänomen Grenzwerte und Anforderung Störungsart Filterelemente Parasitäre Elemente der Filter Bauteile Ersatzschaltbilder und Simulation Fallstudie «Getränkeautomat»

HSi

Entwicklungsteam von 3 Leuten Outsourcing Partner im Bereich Elektronik-Entwicklung Kernkompetenz EMV + Entwicklung Innovative Lösungen im Bereich LED Beleuchtung und

Vorschaltgeräte «Smart Light» Produkte zur Lichtregelung EMV Consulting im Bereich Elektronik und Geräte Zusammenarbeit mit der Firma Electrosuisse / Montena EMC

EMV Phänomen

Ist EMV Schwarze Magie? Meistens nicht, Die Auswirkungen in der Praxis sind aber oft sehr komplex. Zugrunde liegende Mechanismen:

𝑒 = 𝑀 ∗𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑 = 𝐶 ∗𝑑𝑑𝑑𝑑

Erfolg durch analysieren der Vorgänge

Grenzwerte

Höhere Wirkungsgrade Kleinere Volumen Höhere Schaltfrequenzen und Anstiegszeiten Anforderungen zum Einhalten der Grenzwerte sind sehr hoch:

-20-10

01020304050607080

0.1 1 10

dBuV

MHz

Conducted Emission EN55022

Gegeben: 1MHz max. 56dBuV an 50Ω 𝑃 = 𝑈2

𝑅 = 8nW

Störungsarten

Leitungsgebunden bis 30MHz

Differential Mode

Typ. < 1MHz

Common Mode Typ > 1MHz

Abgestrahlt bis mehrere GHz

Meist Common

Mode Abstrahlung über Kabel

Unterscheidung zwischen CMM u. DM Störungen Zur «Bekämpfung» unterschiedliche Strategien

anwenden

Filterelemente

EMV Drossel ist zentrales Element -> Es ist sehr einfach eine ungeeignete Drossel zu wählen. Unterschiedliche Anforderung an die Drossel wie z.B.

Frequenzbereich, Verluste (Güte) Betrachtung der Parameter, Ersatzschaltbild und Simulation

zur effektiveren Auslegung sind fast unerlässlich

Drossel Ersatzschaltbild

RP

CP

LRCU RCU: Kupferwiderstand RP: Kernverluste CP: Wicklungskapazität L: Induktivität

− Wicklungskapazität sollte möglichst gering sein für einen Breitbandigen Einsatz

− Induktivität möglichst hoch − Kernverluste möglichst hoch (Speicherdrossel für z.B. PFC

möglichst gering) − Kupferwiderstand möglichst gering

Die Anforderungen ergänzen sich nicht. Die Auslegung ist immer ein Kompromiss.

Kondensator Ersatzschaltbild

Rleak: Isolation C: Kapazität ESR: Verlustwiderstand ESL: Serie-Induktivität

− Kapazität möglichst hoch − Induktivität möglichst gering − Verluste möglichst gering − Grösse ESR hat einen Einfluss z.B. in der Auslegung von

Reglern (zusätzliche Dämpfung)

C

Rleak

ESR ESL

Ersatzschaltbild

1. Messung des Impedanz Verlaufes der Filterelemente mit einem Netzwerk-Analyzer. Alle parasitären Effekte werden berücksichtigt!

2. Erstellen des Ersatzschaltbildes (z.B. EMCsimV1)

Ausmessen Element Modeling Spice Model erstellen

10mH CMM Drossel (MnZn)

Parasitäre Effekte

680nF X-Kondensator (Folie)

2n2 Y-Kondensator (Keramik)

Ldiff der (50uH) der CMM Drossel

Kapazitive Drosseln und Induktive Kondensatoren

Fallstudie

Irgendeine Kaffeemaschine

Standard Netzteil Zusätzliches EMV Filter

Netzkabel

Fallstudie

-Überschreitung der AVG Grenzwerte (AVG Werte leider im aktuellen Plot nicht ersichtlich)

-Die Analyse hat ergeben das es sich um differentielle Störungen handelt -> Hinzufügen von einem zusätzlichen X-Kondensator

Fallstudie

Hinzufügen von einem externen X-Kondensator

Der zusätzliche Kondensator führt nicht zum erwarteten Ergebnis

Impedanz Analyse

Wir sollten noch ein paar Parameter mehr kennen zur Erklärung

Durchführen einer Impedanz CMM + DM Analyse (roter Teil)

Standard Netzteil Zusätzliches EMV Filter

Netzkabel

Impedanz Analyse Ergebnis

Ergebnis 100kHz bis 40MHz

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

01.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08

Atte

nuat

ion

[dB]

Frequency [Hz]

CMM Impedance Analysis CMM…

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08

Atte

nuat

ion

[dB]

Frequency [Hz]

Impedance Analysis DM Impedance

Resonanzüberhöhung verstärkt das Störsignal

Resonanzen

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08

Atte

nuat

ion

[dB]

Frequency [Hz]

Impedance Analysis DM Impedance

Lösung

Erstellen der Spice Modelle Simulation vom bestehenden EMV Filter, Resonanzen werden

mitberücksichtigt Erweitern um das neue Filter Es wurde ein 2 stufiges LC Filter entwickelt das die Resonanzen genügend

bedämpfte

Zusammenfassung

Erfolgreiche EMV Bekämpfung erfordert ein Verständnis der Störgrössen Dominante Frequenzbereiche der Störgrössen ermitteln Parasitäre Effekte der Filterelemente müssen berücksichtigt werden Software Tools zur effektiveren Filterauslegung nutzen Analyse und ein strukturiertes Vorgehen beschleunigt die Entwicklungszeit

und senkt die Kosten der Lösung

EMV ist nicht immer «schwarze Magie», die Auswirkungen können aber komplex sein.

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Danke für Eure Aufmerksamkeit

Tobias Hofer August 2014