EMV Filter Design Theorie und Praxis - de.schurter.com · Theorie und Praxis Tobias Hofer August...
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HSI-AG Blumeneggstrasse 50 9403 Goldach www.hsi-ag.ch Mail: [email protected]
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.
HSI-AG Blumeneggstrasse 50
9403 Goldach www.hsi-ag.ch
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Danke für Eure Aufmerksamkeit
Tobias Hofer August 2014