EMV Filter Design Theorie und Praxis

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1 EMV Filter Design Theorie und Praxis Tobias Hofer August 2014 HSI-AG Blumeneggstrasse Goldach Mail:

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

3 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

4 EMV Phänomen Ist EMV Schwarze Magie? Meistens nicht, Die Auswirkungen in der Praxis sind aber oft sehr komplex. Zugrunde liegende Mechanismen: e = M dd dd i = C dd dd Erfolg durch analysieren der Vorgänge

5 Grenzwerte Höhere Wirkungsgrade Kleinere Volumen Höhere Schaltfrequenzen und Anstiegszeiten Anforderungen zum Einhalten der Grenzwerte sind sehr hoch: dbuv MHz 10 Conducted Emission EN55022 Gegeben: 1MHz max. 56dBuV an 50Ω P = U2 R = 8nW

6 Störungsarten Leitungsgebunden bis 30MHz Abgestrahlt bis mehrere GHz Differential Mode Typ. < 1MHz Common Mode Typ > 1MHz Meist Common Mode Abstrahlung über Kabel Unterscheidung zwischen CMM u. DM Störungen Zur «Bekämpfung» unterschiedliche Strategien anwenden

7 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

8 Drossel Ersatzschaltbild RCU: RP: CP: L: Kupferwiderstand Kernverluste Wicklungskapazität Induktivität RCU 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. RP L CP

9 Kondensator Ersatzschaltbild Rleak: C: ESR: ESL: Isolation Kapazität Verlustwiderstand Serie-Induktivität Rleak C ESR ESL Kapazität möglichst hoch Induktivität möglichst gering Verluste möglichst gering Grösse ESR hat einen Einfluss z.b. in der Auslegung von Reglern (zusätzliche Dämpfung)

10 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

11 Parasitäre Effekte Kapazitive Drosseln und Induktive Kondensatoren 10mH CMM Drossel (MnZn) 2n2 Y-Kondensator (Keramik) Ldiff der (50uH) der CMM Drossel 680nF X-Kondensator (Folie)

12 Fallstudie Irgendeine Kaffeemaschine Standard Netzteil Zusätzliches EMV Filter Netzkabel

13 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

14 Fallstudie Hinzufügen von einem externen X-Kondensator Der zusätzliche Kondensator führt nicht zum erwarteten Ergebnis

15 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

16 Impedanz Analyse Ergebnis Ergebnis 100kHz bis 40MHz Attenuation [db] 0 CMM 1.E E+06 1.E+07 1.E CMM Impedance Analysis Frequency [Hz] Attenuation [db] E E+06 1.E+07 1.E Impedance Analysis Frequency [Hz] DM Impedance Resonanzüberhöhung verstärkt das Störsignal

17 Resonanzen Impedance Analysis DM Impedance Attenuation [db] 0 1.E E+06 1.E+07 1.E Frequency [Hz]

18 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

19 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.

20 Danke für Eure Aufmerksamkeit Tobias Hofer August 2014 HSI-AG Blumeneggstrasse Goldach Mail: