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Kompromiss zwischen Kosten, Größe und Leistung

8. April 2019, 14:41 Uhr | VON STEVE ROBERTS, CTO RECOM

Steve Roberts, Recom: »Bei der Wahl eines kommerziellen Induktors für das EMV-Filter auf der Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers geben die Datenblätter der Induktor-Hersteller normalerweise kaum mehr als Induktivität, DC-Widerstand und manchmal die Resonanzfrequenz an.«

LC-Filter an Ein- und Ausgängen von Schalt-Spannungswandlern dienen dazu, reflektierte Ripple-Ströme und Ausgangsstörungen zu verringern und die EMV-Grenzwerte bezüglich Abstrahlung und Störanfälligkeit einzuhalten. Die Wirksamkeit variiert jedoch zwischen Bauelementen verschiedener Hersteller.

Heute sind die meisten modernen Spannungswandler und alle isolierten DC-DC-Wandler vom geschalteten Typ. Externe Gleichspannungen werden mit hohen Frequenzen zerhackt, um Wechselspannung für den internen Trenntransformator zu erzeugen. Dessen Ausgangswechselspannung wird wieder gleichgerichtet und durch Steuerung des Tastverhältnisses mit hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten geregelt. Ein Nachteil dabei ist, dass durch die Schaltprozesse hochfrequente Ripple-Ströme am Eingang und Ausgang zusammen mit leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen entstehen, die die Anwendung stören können. Zur Steigerung des Wirkungsgrades geht der Trend bei Spannungswandlern zu noch höheren Schaltfrequenzen und Anstiegsgeschwindigkeiten, was zu einem weitaus breiteren Spektrum an Störungen führt.

LC-Filter verringern Störungen am Ausgang

Alle kommerziellen Spannungswandler enthalten intern mindestens eine Filterung, um die Ripple-Ströme und Störspannungen auf typische Höchstwerte von etwa 1 Prozent des DC-Ausgangs zu begrenzen. Das ist in den meisten Fällen ausreichend. Sind für eine empfindliche Anwendung geringere Werte gefordert, ist ein externes LC-Filter eine einfache Lösung.

Bei Gleichspannung ist die Impedanz des Induktors theoretisch Null und die Impedanz des Kondensators unendlich, sodass die gewünschte Gleichspannung unbeeinflusst ist. Mit steigender Frequenz steigt jedoch die Impedanz des Induktors ZL und die Impedanz des Kondensators ZC sinkt, was zu einem zunehmenden Spannungsteiler-Effekt führt. Die gewählte Filter-Eckfrequenz verringert Ripple-Ströme bei der Schaltfrequenz des Wandlers.
Schwieriger vorherzusagen ist die Dämpfung von Störspitzen, die aus einem Frequenzspektrum bis hoch zu mehreren zehn MHz bestehen. Der Grund dafür ist, dass das LC-Netzwerk bei einigen Frequenzen, wenn die Werte von ZL und ZC gleich werden, in Resonanz kommt und Störungen verstärkt statt gedämpft werden können, obwohl dieser Effekt durch den Lastwiderstand abgeschwächt wird.

Oberhalb der Resonanzfrequenz gibt es noch eine gewisse Störungsdämpfung, es treten aber auch andere parasitäre Effekte auf. So erzeugt auch die Eigenkapazität des Induktors beispielsweise eine weitere Resonanz bei einer viel höheren Frequenz. Diese Kapazität neigt auch dazu, Störungen den Induktor umgehen zu lassen. Bei höheren Frequenzen nehmen Kernverluste im Induktor zu und der Wechselstromwiderstand des Induktordrahtes steigt infolge des Skin-Effektes. Auch der Kondensator wirkt zunehmend als Widerstand, da seine Impedanz verglichen mit seinem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) klein wird. Auch die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Kondensators hat Hochfrequenz-Auswirkungen. Wenn diese parasitären Elemente einbezogen werden, entspricht das äquivalente Schaltbild eines LC-Filters eher dem in Bild 2.