Vorkonformitätstests leitungsgebundener Störungen in Gleichstromversorgungskreisen

Transkript

1 Vorkonformitätstests leitungsgebundener Störungen in Gleichstromversorgungskreisen Autor: Paul Lee, Director of Engineering, Murata Power Solutions Es ist durchaus üblich, dass Entwickler von Stromversorgungen mit einem Schaltkreisentwickler zusammenzuarbeiten, um ein Systemdesign zu erstellen, dass konform zu internationalen EMV-Vorschriften ist. Entwickler von Netzteilen sind sich dann der Anforderungen der Stromversorgung bewusst, um eine saubere Gleichspannung bereitzustellen und die Netzwechselspannung nicht zu stören. Allerdings können sie nicht ahnen, welche Störungen der Zielschaltkreis möglicherweise über die Stromversorgung in das Netz einspeist. Ebenso kann der Schaltkreisentwickler (digital oder analog) nicht wissen, welche Dämpfung das Netzteil verursacht. Der folgende Beitrag soll diese Wissenslücke schließen und stellt eine Testmethode für DC-Schaltkreise vor, um diese isoliert vom letztendlichen Netzteil zu untersuchen. Damit lassen sich zusätzliche Filter genau spezifizieren. Die aufgeführten Beispiele adressieren die folgenden EMV- Standards: FCC 15J/SUB Teil B, VDE 0871, CISPR 16, CISPR 22, EN 55022, EC-Richtlinie 2004/108/EC. Vorkonformitätsgrenzen Für DC-Versorgungsschienen gibt es keine spezifischen EMV-Grenzwerte. Darum gibt es auch keine speziellen Tests im Rahmen von EU- oder CENELEC-Bestimmungen, die sich direkt auf diese Situation anwenden lassen. Ein Netzteil, der DC-versorgte Schaltkreis und sogar Bauteile lassen sich als Subsysteme betrachten; darum können sie von der EU-Richtlinie befreit sein. Die durchgeführten Tests sind daher nur als Vorkonformitätstests zu betrachten; es ist das Endsystem, das auf volle Konformität getestet werden muss, um die vollständige CE-Zertifizierung zu erhalten. Wird das

2 System jedoch nach dem TCF-Schema (Technical Construction File) zertifiziert, können die einzelnen Vorkonformitätstests als Teil des TCF verwendet werden. Standard-Testverfahren für DC-versorgte Schaltkreise Bei fehlenden EN-Standards muss der nächstbeste entsprechende Teststandard bestehender EMV-Richtlinien für leitungsgebundene Netzstörungen angewendet werden. Eingangsstörungen bei Systemen, die an das Wechselstromnetz angeschlossen sind, lassen sich beseitigen, indem ein Leitungsimpedanz- Stabilisierungsnetzwerk (LISN) an die stromführende und neutrale Leitung angeschlossen wird und die Masse der Netzspannung als Erdungsreferenz dient. Bei unserer Testmethode wird dieser Ansatz für das Testen gleichstromversorgter Schaltkreise verwendet. Bei einem entsprechenden DC-Netzteil sind die positive als auch die Masseleitung (oder 0 V) mit einem LISN gegen Masse gefiltert. Jedes LISN ist nach CISPR 16 für 50 Ω / 50 μh Leitungsimpedanz aufgebaut (Bild 1). Bild 1: CISPR16-LISN-Schaltkreis Hat der DC-versorgte Schaltkreis keine direkte Masseverbindung, geht der

3 Pfad für jegliches Gleichtaktrauschen über Streukapazitäten direkt gegen Masse. Diese können das physikalische Gehäuse des Schaltkreis sein, externe Verdrahtungen, periphere Lasten oder angeschlossene Schaltkreise. Rauschmessungen sind in diesem Fall nur relativ. Es sollte eine genaue Aufzeichnung des Testaufbaus erfolgen, um später einmal vergleichbare Messungen durchführen zu können. Obwohl das Gleichtaktrauschen die Zielmessung ist, wird selbst bei nicht vorhandener Streukapazität zwischen Masse und zu testendem Schaltkreis ein nach CISPR 16 abgeschlossener LISN ein Signal mit der Hälfte des Gegentakt-Rauschpegels von seinem RF- Monitor ausgeben. Abschirmung Der DC-versorgte CUT (Circuit Under Test), das LISN und alle Verbindungskabel zu Messgeräten, Lasten und Versorgungsleitungen sollten nach Möglichkeit abgeschirmt werden. Die Abschirmung verhindert einen möglichen Störungsübergang auf die Leitungen und den CUT von externen EMV-Quellen (z.b. andere Geräte in der Nähe, Abstrahlungen vom Netzteil etc.). Die Abschirmung ist ebenfalls auf Masse bezogen. Bei der Messung kleiner Schaltkreise oder einzelner Bauteile passt das gesamte Teil für den Test oft in ein Metallgehäuse. Alle Versorgungs- und Testeingänge sollten über abgeschirmte Steckverbinder erfolgen, vorzugsweise HF-BNC-Stecker. Das LISN sollte abgeschirmt sein und sich außerhalb des Gehäuses mit dem Testschaltkreis befinden (siehe Bild 2 mit einem DC/DC-Wandler als CUT).

4 Bild 2: Testaufbau Zu testender DC-Schaltkreis als Beispiel Es gibt unzählige Schaltkreiskonfigurationen, die als Beispiel-Testschaltung verwendet werden können. Für diesen Beitrag nehmen wir einen leiterplattentauglichen DC/DC-Wandler mit einer Widerstandslast am Ausgang. Board-Level-DC/DC-Wandler sind eine gängige Komponente auf vielen PC-Boards sowie in Instrumentierungen und Prozesssteuerungen. Der Vorteil bei der Verwendung eines DC/DC-Wandlers als Beispiel liegt darin, dass er eine bekannte, charakteristische Schaltfrequenz (Bild 3) hat, was ein stabiles Rauschspektrum garantiert.

5 Bild 3: Schaltungsbedingte Spektrallinien des NMS1212 In unserem Beispiel ist der eingesetzte DC/DC-Wandler der NMS1212C von Murata Power Solutions; mit 12-V-Eingang, 12-V-Dual-Ausgang und einer Ausgangsleistung von 2 W mit einer charakteristischen Schaltfrequenz von 35 khz. Der Wandler weist eine Reihe von Leitungsspektren unterhalb des EU- Frequenzgrenzwerts für leitungsgebundene Emissionen (150 khz) auf und keine Subharmonischen unter seiner grundlegenden Schaltfrequenz. Schaltkreisbedingungen Um sicherzustellen, das hinsichtlich der EMV Worst-Case-Bedingungen beim CUT vorherrschen, muss die Funktion des Schaltkreises bekannt sein. Der CUT-Entwickler ist hier der richtige Ansprechpartner für die Spezifikation. Im Falle des NMS DC/DC-Wandlers liegt der Worst Case bei Volllast (2 W Ausgangsleistung) und maximaler Eingangsspannung vor (Bild 4) obwohl die Eingangsspannung minimale Auswirkung innerhalb der erlaubten Toleranz hat. Andere Worst-Case-Bedingungen lassen sich aufgrund der Art der Testumgebung nur schwierig anwenden (z.b. hohe Temperatur, Bild 5). Ein gewisses Verständnis, wie diese Bedingungen die EMV-Performance beeinflussen, ist jedoch hilfreich.

6 Bild 4: Einfluss der Eingangsspannung auf die Schaltfrequenz beim NMS1212C Sind die Schaltkreis-Lastbedingungen und deren Auswirkungen auf die EMV nicht bekannt, lassen sich Tests auf dem CUT noch vor dem eigentlichen Vorkompilierungstest durchführen. Auflösebandbreite und Spektren Eines der ersten Probleme ist die Entscheidung über die Auflösebandbreite, die für die Vorkompilierungstests erforderlich ist. Um mit den EU-Richtlinien für Netzstörungen übereinzustimmen, sollte eine Auflösebandbreite (RBW Resolution Bandwidth) von 9 khz für leitungsgebundene Messungen verwendet werden. In Schaltkreisen mit geringen Leitungsstörungen ist dies akzeptabel; in Schaltkreisen mit Analogverarbeitung oder asynchroner Logik können allerdings breitbandige Spektren auftreten. Es ist auch möglich, dass sich einzelne Linienspektren mit den Lastbedingungen ändern allerdings innerhalb eines vordefinierten Bereichs. Eine breitere RBW kann diesen Bereich umfassen. Bezüglich des NMS-Beispiels ergeben sich bei einem Rechtecksignal- Gegentaktwandler zwei Antworten: eine bei der Schaltfrequenz (35 khz) und die andere bei der doppelten Schaltfrequenz (Vollwellengleichrichtung, Bild 3). Es treten auch Oberwellen im gesamten Emissionsspektrum auf (signifikante Abnahme bei 5 MHz, Bild 6). Im zu interessierenden Frequenzbereich zwischen 150 khz und 30 MHz gibt es deshalb 853 einzelne

7 Linienspektren, wenn diese bei 9 khz RBW aufgelöst sind. Die Toleranzabweichung der Bauteile, Eingangsspannung und Last können die Betriebsfrequenz um bis zu 20% verändern, d.h. mehr als 200 zusätzliche Linien hinzufügen oder beseitigen. Insgesamt scheint der Bereich relativ konstant zu bleiben, sodass eine Erweiterung der RBW auf 120 khz die Bereichsfunktion ergibt und nicht die einzelnen Linienspektren (Bild 7). Die Information ist nun einfacher zu verwenden und zu verstehen, und mögliche Abweichungen sollten durch diesen Bereich abgedeckt sein. Bild 5: Auswirkung der Temperatur auf die Schaltfrequenz (NMS1212C) Bild 6: NMS1212-Störungen mit 9 khz RBW

8 Bild 7: NMS1212-Störungen mit 120 khz RBW Die Erweiterung der RBW sollte nur dann erfolgen, wenn Breitbandrauschen oder eine große Anzahl eng aufeinander bezogener einzelner Spektren vorliegen. Bei den meisten Schaltkreisen ist dies nicht erforderlich. Beim Einsatz eines Spektrumanalyzers erhöht sich das effektive Grundrauschen, sobald die RBW erweitert wird, was das Rauschen im unteren Bereich überlagert. Wir empfehlen, zuerst immer die schmalste RBW zu verwenden und dann nach Bedarf zu erweitern. Spektren-Erkennung Es gibt drei gängige Methoden zur Messung der Amplitude leitungsgebundener Spektren: Spitzenwert-, Durchschnitts- und Quasi- Spitzenwert-Erkennung. Die Spitzenwert-Erkennung ist die Momentanmessung der Spitzenamplitude des Signals und eignet sich am besten für kontinuierliche Signalspektren sowie schnelle Momentaufnahmen von Störungen. Die Durchschnittserkennung misst die durchschnittliche Amplitude über eine bestimmte Zeitperiode (innerhalb der Messbandbreite). Die Quasi-Spitzenwert-Erkennung simuliert eine subjektive Antwort auf eine pulsartige Störung. Der Quasi-Spitzenwert gewichtet die Anstiegs- und Abfallzeiten der Signalpulsierung mit bestimmten Zeitkonstanten. Die Antwort auf ein Dauersignal wäre bei allen drei Nachweismethoden identisch. Eine unregelmäßig gepulste Störung fällt mit der Quasi- Spitzenwert-Methode geringer aus und mit der Spitzenwert-Methode am höchsten.

9 Störungsspektren-Information nutzen Übertreffen die Störungen bestimmte Grenzen, können der Schaltkreis oder das PCB-Layout abgeändert werden, um das Rauschen zu verringern. Auch zusätzliche Filter lassen sich am Eingang der Stromversorgung zum DC- Schaltkreis hinzufügen. Filter können die kostengünstigste Option für das Bestehen von Vorkonformitätstests für Schaltkreise sein. Falls ein Redesign hohe Investitionen in Zeit und Geld erfordert, kann das einfache Hinzufügen eines Kondensators und einer Induktivität in der Eingangsleitung die Störungen um 20 db bei der Problemfrequenz zu minimalen Kosten beseitigen. Alternativ muss dem Entwickler der Stromversorgung mitgeteilt werden, dass die Versorgung eine bestimmte Rauschunterdrückung bieten soll, z.b. 20 db für Störungen unter 1 MHz. Die Standard-EMV-Grenzwerte lassen sich als Richtlinie für die Störemissionen verwenden, um festzustellen, welche Unterdrückung die Versorgung erfordert. Dies ist nicht so einfach, wie es klingt. Die Ausgangskondensatoren einer Stromversorgung und die Eingangskondensatoren des CUT können zu einer wesentlich höheren Unterdrückung führen, als dies bei einfachen 50-Ω-Rauschquellen der Fall ist (PSU und CUT haben eher nicht 50 Ω Impedanz oder sogar angepasste Impedanzen). Diese Tests sind nur für eine Vorkonformität gedacht. Weitere Tests mit der PSU und dem Schaltkreis im Zielsystem müssen durchgeführt werden bevor das Endprodukt zertifiziert werden kann. +++Ende