Abbildung 3: Ein typisches Beispiel für einen DC/DC-Wandler.

Bild: Würth Elektronik eiSos

Speicherinduktivitäten in Reglern Elektromagnetische Strahlung in Schaltreglern

15.10.2018

DC/DC-Schaltregler werden häufig im Energiemanagement eingesetzt, die Speicherinduktivität ist dabei eine der Schlüsselkomponente. Üblicherweise liegt der Fokus bei ihrer Auswahl auf Werten wie RDC, RAC oder Kernverlusten, die elektromagnetischen Abstrahlungseigenschaften hingegen werden häufig ignoriert. Speicherinduktivitäten in Schaltnetzteilen können aus verschiedenen Kernmaterialien hergestellt, unterschiedlich gewickelt und geschirmt oder ungeschirmt sein.

Durch die Schaltvorgänge in einem Schaltnetzteil wird eine Wechselspannung in der Induktivität erzeugt. Da eine Induktivität praktisch betrachtet wie eine Rahmenantenne arbeiten kann, hängt die elektromagnetische Strahlung von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Hier gehören beispielsweise Eigenschaften wie Kern- und Schirmungsmaterial oder auch die Wahl des Wicklungsanfangs. Die elektromagnetische Abstrahlung wird im unteren Frequenzbereich von 100 kHz bis 30 MHz, von der Schaltfrequenz und deren Oberwellen und damit von den Wicklungseigenschaften und der Art der Schirmung beeinflusst. Bei höheren Frequenzen von 30 MHz bis 1 GHz, sind Oberschwingungen und deren Oberwellen und damit eher Schirmeigenschaften sowie das grundlegende Design entscheidend.

Elektromagnetische Ausstrahlung

Wechselspannung und Wechselstrom in der Spule erzeugen ein E-Feld und ein H-Feld, welche sich ausgehend von der Quelle, im rechten Winkel zueinander ausbreiten. Im Nahbereich der Quelle, welche als Rahmenantenne agiert, werden die Eigenschaften der Felder E und H durch das Verhalten der Quelleigenschaften bestimmt. Weiter von der Quelle entfernt, werden die Feldeigenschaften jedoch durch das Übergangsmedium bestimmt. Diese separaten und doch miteinander in Verbindung stehenden Phänomena lassen sich folglich zwei Bereichen zuordnen: dem Nahfeld, in dem die beiden Felder separat betrachtet werden, da ihr Verhältnis, definiert als Wellenwiderstand E/H, nicht konstant ist und dem Fernfeld, in dem diese beiden Felder gemeinsam eine ebene Welle bilden. Wird die Quelle mit einem starken Strom und bei niedriger Spannung betrieben, so spricht man von einem dominanten Magnetfeld, während bei schwachem Strom und hoher Spannung das elektrische Feld dominant ist. Bei einer geraden Drahtantenne ist der Wellenwiderstand hoch, da das elektrische Feld im Bereich der Quelle dominant ist. Die Abschwächungseigenschaften sind denen der Rahmenantenne genau entgegengesetzt. Durch diese genannten Faktoren wird deutlich, dass die elektromagnetische Abstrahlung in
DC/DC-Wandlern nicht zu vernachlässigen ist, vor allem mit Blick auf die umgebenden Bauteile.

Abstrahlung von geschirmten Spulen

Geschirmte Spulen werden so gefertigt, dass die Wicklung vollständig in einem Formteil zur magnetischen Schirmung gekapselt ist. Bei ungeschirmten Spulen liegen die Spulenwicklungen normalerweise frei und es gibt auch keine andere magnetische Schirmung. Aufgrund der ungehinderten Ausbreitung von EM-Feldern sind dies normalerweise die stärksten EMV-Störquellen. Bei halbgeschirmten Spulen werden magnetische Materialien meist mit Epoxidharz auf die freiliegenden Windungen aufgebracht.

Größerer Platzbedarf und höhere Kosten

Der wesentliche Vorteil der geschirmten Spule besteht in den relativ schwachen elektromagnetischen Emissionen im Vergleich zu halbgeschirmten und ungeschirmten Spulen (Abbildung 1), allerdings gehen diese Vorteile meist mit einem größeren Bauvolumen und daher einem vergrößerten Platzbedarf einher. Außerdem muss der Kostenfaktor berücksichtigt werden, wodurch gerade unerfahrene Entwickler häufig zu ungeschirmten Spulen mit kleinem Platzbedarf, geringen Kosten, und hohen Sättigungsströmen greifen, aber bei den Messungen mit etlichen EMV-Problemen konfrontiert werden, welche sich nach der Designphase nur noch schlecht beheben lassen.

Mit halbgeschirmten Spulen lässt sich der Spagat zwischen Platzbedarf, elektrischen Merkmalen und EMV bewältigen. Diese eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen Bauteile in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Spulen nicht besonders strahlungssensibel sind.

Starke elektrische Kopplungen vermeiden

Ein für die EMV wesentlicher Aspekt, welcher häufig übersehen wird, ist die Orientierung des Wicklungsanfangs, welcher meist durch einen Punkt auf der Spule markiert ist. Es ist wichtig, die mit dieser Markierung versehene Spulenseite möglichst nah am Schaltknoten anzuschließen, da an dieser Seite der höchste dU/dt-Wert auftritt und dadurch Störeinflüsse am stärksten sind. Auf diese Weise wird der Wechselstromfluss vom Schaltknoten beim Schalten durch die äußeren Wicklungen abgeschirmt. Andernfalls treten die AC-Flussspannungen an der äußeren Wicklung auf, was zu elektrischen oder kapazitiven Kopplungen inakzeptabler Stärke führen kann.

Die Messung in Abbildung 2 vergleicht die Anordnung der Spule zu dem Schaltknoten und zeigt eindeutig, dass die E-Feld-
emissionen wesentlich niedriger sind, wenn das mit dem Punkt markierte Ende der Spule mit dem Schaltknoten verbunden ist. Die Wirksamkeit dieser Schirmung hängt von den Materialeigenschaften und der Permeabilität ab: je höher die Stärke und Permeabilität des Kernmaterials, desto wirksamer ist die Schirmung des E-Feldes. Elektromagnetische Störungen können nur auftreten, wenn eine Strahlungsquelle, ein Übertragungsmedium und eine Störsenke vorhanden sind. Durch steigende Schaltfrequenzen nutzen DC/DC-Wandler kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten des Schaltwandlers, um die Schaltverluste gering zu halten. Hierdurch entstehen jedoch steile Flanken am Schaltknoten, begleitet von Klingeln und Nadelimpulsen.

Aufgrund der Schwingungen am Schaltknoten, der schnellen Übergänge und der hohen Schaltfrequenz ist die Auswahl einer geeigneten Spule zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich. Normalerweise liegt die Klingelfrequenz im Bereich zwischen 100 und 200 MHz. Geschirmte Spulen sind häufig so ausgelegt, dass die Schaltgrundfrequenz, nicht aber die höheren Klingelfrequenzen, geschirmt werden. Die Wirksamkeit bei der Abschwächung von Emissionen in diesen Frequenzbereichen hängt in hohem Maße von den Eigenschaften der Spule ab – vor allem von Kernmaterial und Materialstärke. Die Schirmwirkung von Induktivitäten mit Eisen- oder Metalllegierungspulver im Frequenzbereich über 1 MHz ist bei der E- und H-Feld Abschirmung deutlich beschränkt. Spulen aus MnZn oder NiZn sind hier deutlich effektiver.

Mit externer Schirmung Emissionen vermindern

In Fällen, in denen eine Induktivität nicht durch ein anderes Kernmaterial ersetzt werden kann, kann der Einsatz externer, zusätzlicher Lösungen sinnvoll sein, um die Emissionen zu minimieren. Beispielsweise können Spulen mit Eisenpulverkern oder Metalllegierungen - mit hervorragenden Sättigungseigenschaften und kompakten Bauformen – mit zusätzlichen Schirmmaterialien ummantelt werden, um die EMV-Richtlinien einzuhalten.

Solche externen Schirmungen können aus Kupfer, Aluminium oder Verbundmischungen bestehen, ausgeführt als komplettes zusätzliches Gehäuse um Störungen zu reflektieren oder zu absorbieren. Stärke und Typ des Materials werden nach Faktoren wie Schirmungseffizienz, Frequenz und Kosten ausgewählt. Alternativ lässt sich die magnetische Schirmung mit magnetischen Materialien oder Mu-Metallen realisieren, deren Wirksamkeit von der Permeabilität, dem Wellenwiderstand und der Stärke des verwendeten Materials abhängig ist.

Würth Elektronik bietet eine Vielzahl von Schirmmaterialien aus Metall und Mu-Metall, beispielsweise Kupferband, verschiedene Schirmgehäuse aus Verbundmetallen, NiZn- und Ferritplatten und Weitere an. Diese Produkte stellen flexible und anpassungsfähige Lösungen dar. Die Effektivität solcher Schirmungen ist nicht auf die Nahfeldstrahlung beschränkt. Mit Metall- und Ferritlösungen lassen sich auch im Fernfeld Verbesserungen erzielen.

Das Thema der elektromagnetischen Abstrahlung ist sehr komplex und bereits sehr kleine Abänderungen oder Schwankungen beeinflussen die ausgehenden Emissionen.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Das H-Feld ungeschirmter, halbgeschirmter und geschirmter Spulen.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

  • Abbildung 2: Der Einfluss des Wicklungsanfangs auf das H- und E-Feld.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

  • Abb. 4: Vergleich des H- und E-Feldes von Eisenpulver, MnZn und NiZn als Kernmaterial.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

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