Entstörung Bauteilauswahl und Filter

Transkript

1 Entstörung Bauteilauswahl und Filter Referent: Markus Schubert Würth Elektronik eisos GmbH & Co. KG

2 Inhalt Filterung Unterschied Bauteile Materialien Störungsarten Div. Simulationen Einfügedämpfung Filterarten Vor- Nachteile V1.1 MS Public Filterung 2

3 Was ist eine Induktivität? Was ist eine Spule? technisch gesehen: ein gewickeltes Stück Draht Anwendung als: Filterelement (Kurzzeit-) Energiespeicher Unterschied zwischen Spule und Induktivität? Spule Induktivität Bauform physikalische Größe V1.1 MS Public Filterung 3

4 Was ist eine Induktivität? Was ist eine Spule? technisch gesehen: ein gewickeltes Stück Draht Anwendung als: Filterelement (Kurzzeit-) Energiespeicher Unterschied zwischen Spule und Induktivität? Spule Induktivität Bauform physikalische Größe V1.1 MS Public Filterung 4

5 Was ist ein EMV-Ferrit? technisch gesehen: gesintertes Ferritmaterial (um einen Leiter herum) Anwendung als: HF-Absorber frequenzabhängiger Filter Bauformen: Klappferrite Ferrithülsen/-ringe Blockkerne Ferritplatten SMD-Ferrite Ferritbrücken Ferritperlen V1.1 MS Public Filterung 5

6 Impedanz einer Spule mit Kern Impedanz der Wicklung mit Kernmaterial Impedanz der Wicklung ohne Kernmaterial Kernmaterial Z R j = j ωl0 X L μ jμ R X L0 X L V1.1 MS Public Filterung 6

7 relative Reaktanz Kernmaterial Magnetisierungsanteil 100% 90% 80% 70% 60% X L (Fe) X L (MnZn) X L (NiZn) 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,01 0, f in MHz V1.1 MS Public Filterung 8

8 relative Resistanz Kernmaterial Verlustanteil (EMV-Filter) 100% 90% R (Fe) R (MnZn) R (NiZn) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,01 0, f in MHz V1.1 MS Public Filterung 9

9 Permeabilität Messung Z R (NiZn) X L (NiZn) Ersatzschaltbild: Kernmaterial-Parameter Z R X L Z R 2 2 X L Indirekte Permeabilitätsmessung X C 0 im Frequenzbereich unterhalb der Eigenresonanz V1.1 MS Public Filterung 10

10 Impedanz in Ω Impedanz in Ω Ferritmaterial Ersatzschaltbild X L R X C Frequenz in MHz Frequenz in MHz V1.1 MS Public Filterung 11

11 Güte, Verlustfaktor Vergleich der frequenzabhängigen Güte: Filterspule 40 Q 30 Q R X L 1 tanδ m EMV-Ferrit f in MHz V1.1 MS Public Filterung 12

12 Nanokristallines Kernmaterial Ausgangsmaterial ist Mischung aus Fe (>70%), Cu, Nb, Zr, Si, B Silizium und Bor für die glasartige Struktur Rascherstarrungsverfahren anschließende Wärmebehandlung bei 500 C 600 C nanokristalline Körner (10 40nm) in amorpher Restphase Quelle: Vacuumschmelze weichmagnetische Eigenschaften kristallin amorph nanokristallin V1.1 MS Public Filterung 13

13 Nanokristallines Kernmaterial Vergleich MnZn-Ferrit Nanokristalliner Ferrit Anfangspermeabilität μ i Betriebstemperatur ϑ op <120 C <150 C Sättigungsflussdichte B sat <480mT >1.2T Curie-Temperatur ϑ C 150 C 200 C >600 C Koerzitivfeldstärke H C 5A/m 60A/m <3A/m Kernverluste p core (100kHz,300mT,100 C) 140W/kg 80W/kg V1.1 MS Public Filterung 14

14 Nanokristallines Kernmaterial Vorteile hohe Anfangspermeabilität: hohe Dämpfung bei niedrigen Frequenzen bei Bewicklung: kleine Windungszahl kleine Baugröße, niedrige Kupferverluste, niedrige Wicklungskapazität, hohe Eigenresonanzfrequenz Abnahme der Permeabilität oberhalb der Grenzfrequenz mit Dämpfung bei hohen Frequenzen 1 f hohe hohe Sättigungsflussdichte hohe Nennströme bei Drosseln geringe Temperaturabhängigkeit der Permeabilität und der Sättigungsflussdichte und damit der Dämpfungseigenschaften hohe Linearität der Magnetisierungskurve konstante Impedanz über einen weiten Strombereich bei Gleichtaktstörungen (Drossel) sehr niedrige Magnetostriktion: unempfindlich gegen mechanische Belastung keine Geräusche im NF-Bereich V1.1 MS Public Filterung 15

15 Strukturierte Entstörung Erkennen der Störungsart: Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 16

16 Störungsart Erkennungsmöglichkeit Gegentakt- oder Gleichtaktstörung? Symmetrisch oder Asymmetrisch? Klappferrit auf Kabel klicken (beide Drähte, z.b. VCC und GND) Störpegel reduziert? Erhöhte Störfestigkeit? Gleichtaktstörung (common mode noise) 17

17 Störungsart Signaltheorie Störungsarten am Beispiel USB: Sender/ Quelle Gleichtakt Empfänger/ Senke Gegentakt D+ D- Übertragungsstrecke Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 18

18 Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Reduzierung der Störungen sowohl vom Gerät nach außen als auch von der Umwelt in das Gerät Fazit: keine Beeinflussung des Nutzsignals hohe Dämpfung des Störsignals Gegentakt Gleichtakt 19

19 Längsinduktivität Nachteil Filterung mit zwei Längsinduktivitäten: Filteraufbau mit 2 Ferriten (differential mode) beeinflußt das Nutzsignal! 20

20 Stromkompensierte Drossel Vorteil Filterung mit Stroko: geringe Signalverzerrung, d.h. Nutzsignal wird kaum beeinträchtigt erzeugt eine Art Saugeffekt, d.h. das Störsignal erreicht nicht die Schaltung 21

21 Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Wie stark wird das Gegentaktsignal gedämpft? Z CM Z DM f in MHz 22

22 Stromkompensierte Drossel Wicklungsart bifilar sektionell L 0.01%...0.1% von L S N L 0.5%...1% von L S N 23

23 Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Wicklungsart WE-SL bifilare Wicklung WE-SL S sektionelle Wicklung f in MHz

24 Simulation Stroko s 25

25 Störungsart Erkennungsmöglichkeit Gegentakt- oder Gleichtaktstörung? Symmetrisch oder Asymmetrisch? Klappferrit auf Kabel klicken (beide Drähte, z.b. VCC und GND) Störpegel reduziert? Erhöhte Störfestigkeit? wenn nicht Gegentaktstörung (differential mode noise) 26

26 Prinzip der Filterung Lösung: definiertes Filter aus mindestens 2 Bauteilen mindestens ein Bauteil ist frequenzselektiv Z 1 Filtereingang Ue Z 2 Ua Filterausgang Anpassung im Nutzfrequenzbereich Fehlanpassung im Störfrequenzbereich Filter sind frequenzabhängige Spannungsteiler. 27

27 Der Tiefpass ist die in der EMV am häufigsten eingesetzte Filtervariante. TP 1. Ordnung R U e 1 ωc U a f Z C TP 2.Ordnung ωl U e 1 ωc U a f f Z L Z C 28

28 Tiefpass Übertragungsverhalten 1 LC 1 RC ω 1 s U U -70 a e db 29

29 Eigenresonanzfrequenz (SRF) ist die Frequenz, bei der die Beträge der induktiven und kapazitiven Blindwiderstände gleich groß sind. Ue R jωl I e 1 jωc Ua f f X L XC Z R jωl 1 ωc 1 ωl ω C 0 U R U e UL U C Ua I e I L I C SRF f res 1 2π LC entspricht der Grenzfrequenz des LC-Tiefpasses 30

30 Tiefpass Zusammenfassung Die Nutzsignalfrequenz sollte unterhalb der Grenzfrequenz liegen. Breitbandige, kritische Nutzsignale sollten möglichst im linearen Phasenbereich des Filters unterhalb der Grenzfrequenz liegen. φ ω g ω Weitere parasitäre Elemente bringen weitere Resonanzerscheinungen. PCB-Layout beachten Quell- und Senkenimpedanzen müssen mit berücksichtigt werden. 31

31 Einfügedämpfung Definition, Berechnung Realität Systemimpedanz Praxis-Beispiel 32

32 Einfügedämpfung Definition Z A Z F ~ U 0 U 2 U 1 Z B Quelle Übertragungsmedium Senke logarithmisches Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung: A db 10log 10 P P e a 20log beschreibt die Abschwächung eines Signals über einen definierten Signalweg z.b. SMD-Ferrit, Mikrostreifenleitung, Filter, U U 1 2

33 Einfügedämpfung Definition Beschreibung mit Impedanzen: Z A Z F ~ U 0 U 2 U 1 Z B Gesamtsystemdämpfung: Impedanz Z F : Quelle Übertragungsmedium Senke Z F A 20 db log Z A db A B A ZB A ZF Z Z Z Z Z Z A B B

34 Einfügedämpfung Realität? Quelle praktikable Quellen- und Senkenimpedanzen: Masseebene Spannungsversorgung Video-, Clock-, Datenleitungen lange Datenleitungen Übertragungsmedium <1W <10W 50 90W 90 >150W Senke 35

35 Einfügedämpfung Systemimpedanz 1Ω 1Ω 1Ω 10Ω 150Ω 150Ω 10Ω 1Ω 36

36 Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messung der gestrahlten Emission: M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 37

37 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Ansatzpunkt: Spannungsversorgung (Systemimpedanz: 10Ω 20dB bei 200MHz benötigt Ohm 10 Ohm 50 Ohm s Ferrites [? ] Impedanz des Ferrites [Ω] 180Ω Katalog oder Component Selector: WE-CBF

38 Einfügedämpfung Beispiel WE-CBF

39 Component Selektor 40

40 Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messergebnisse nach weiteren Anpassungen: M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 41

41 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 1: Dämpfung war höher als erwartet Ohm 10 Ohm 50 Ohm 40 30dB s Ferrites [? ] Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Möglichkeit der Verringerung der Impedanz des Ferrites 42

42 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 2: Dämpfung war unzureichend Ohm 10 Ohm 50 Ohm s Ferrites [? ] 10 8dB Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Impedanz des Ferrites muss erhöht werden (Z F ~ 900Ω) 43

43 Filtertopologien Übersicht Demoboard LTspice Filter-Simulation Impedanzverlauf Induktivität & Kapazität Einfügedämpfung verschiedener Filter Praxis-Beispiel 44

44 Empfohlene Filtertopologien Quellimpedanz L Lastimpedanz niedrig C hoch hoch C hoch Eigenresonanz der Bauteile beachten! L unbekannt/ eher hoch C C unbekannt/ eher hoch niedrig L niedrig L L unbekannt/ eher niedrig C unbekannt/ eher niedrig 45

45 Filtertopologien Demoboard Parallel-C-Filter 1n 10n 100n 50Ω Referenz L-Filter LC-Filter 100n Π-Filter 1n 100n T-Filter 100n 46

46 LTspice Filtersimulation 47

47 L-Filter mit SMD-Ferrit WE-CBF Nutzung des Verlustanteils R( f ) Umwandlung des Gegentakt-Störstromes in Wärme 48

48 Filtertopologien Induktivität / SMD-Ferrit parasitäre Kapazitäten C p : Induktivität: 10pF 500pF SMD-Ferrit: 5fF 5pF L p R p Verlustwiderstände R p : Induktivität: < 30kΩ SMD-Ferrit: 10Ω 3kΩ C p Z log Induktivität SMD-Ferrit R p f res Z 2π 1 fres Rp L p C p ωl p f res 1 ωc p f log 49

49 Filterelemente Parasitäre Einflüsse Simulation des Einflusses von parasitären Effekten auf die Wirksamkeit des Filters: Referenz LC-Filter ideal LC-Filter mit parasitären Effekten 50

50 Filterelemente Parasitäre Einflüsse 51

51 Dämpfung in db Filtertopologien L-Filter L-Filter Als Induktivität wird ein SMD-Ferrit genutzt. WE-CBF : Z max = 80MHz A = 80MHz Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 52

52 L-Filter Stromabhängigkeit der Impedanz Simulation des Einflusses des Stromes auf den Impedanzverlauf von SMD-Ferriten: Gleichstrom als Parameter (0A 3A, 0.5A Schritte) 53

53 L-Filter Stromabhängigkeit der Impedanz -18dB -14dB 0A 1.5A 3A f = 100MHz 54

54 Filtertopologien Kapazität Erweiterung der Filter mit einem weiterem frequenzabhängigen Bauteil: Kondensator / Kapazität Serieninduktivität L s : SMD-Typ: 1nH 5nH Verlustwiderstand R s : SMD-Typ: Z 20mΩ 300mΩ (1Ω) log 1 ωc s ωl s Rs f res Z Ls 2π 1 fres Rs L s C s C s R s f res 55 f log

55 Impedanz in Ω Zc / Ohm Filtertopologien Kapazität 100nF SMD Keramik mit 2x12mm ohne Zuleitungen Zuleitungen 10 10nF ohne Zuleitungen Polyester SMD Keramik 1nF SMD Keramik ohne Zuleitungen 100pF SMD Keramik ohne Zuleitungen 1 0,1 0,01 0, Frequenz / in MHz MHz 56

56 Dämpfung in db Filtertopologien Parallel-C-Filter Parallel-C-Filter 1n 10n 100n Resonanzstellen: f in MHz Frequenz [MHz] 57

57 Dämpfung in db Filtertopologien Parallel-C-Filter Vergleich Messung - Simulation C 1 = 1nF C 2 = 10nF C 3 = 100nF 0-20 f res 2π 1 L s C -40 Beispiel: L s = 1nH f res,c3 = MHz Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 58

58 Dämpfung in db Filtertopologien LC-Filter LC-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF C = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 59

59 Dämpfung in db Filtertopologien Π-Filter Π-Filter 1n 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF C 1 = 1nF C 2 = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 60

60 Dämpfung in db Filtertopologien T-Filter T-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF WE-CBF C = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 61

61 Trilogie der induktiven Bauelemente Ergänzung zum Vortrag 1. Grundlagen elektronisches Basiswissen 2. Bauelemente Bauelemente und ihre speziellen Eigenschaften 3. Filterschaltungen Prinzip/Funktionsweise/Aufbau von Filterung 4. Anwendungen konkrete Beispiele auf über 300 Seiten 62

62 Homepage WE: 63

63 Homepage WE: Toolbox 64

64 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! V1.1 MS Public Filterung 65