Stromversorgung: Wie Sie die EMV sicherstellen

Wer als Entwickler von Stromversorgungen bei der vorgeschriebenen EMV-Konformitätsprüfung keine unangenehme Überraschung erleben will, tut gut daran, die EMV möglichst früh zu berücksichtigen.

Eine der Entwicklungsaufgaben, die oft gegen Ende eines Projekts in Angriff genommen werden, sind die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). EMV-Vorschriften sorgen dafür, dass unbeabsichtigte leitungsgeführte und abgestrahlte elektromagnetische Störungen (Emissionen) nicht andere elektronische Geräten in ihrer Funktion beeinträchtigen. Das Hinausschieben der EMV-Konformitätsprüfung bis zum Ende des Projekts ist gängige Praxis. Die daraus resultierenden unerwarteten Kosten und Projektverzögerungen könnten vermieden werden, wenn die Einhaltung der EMV-Richtlinien bereits früher im Designprozess berücksichtigt wird.

Leitungsgeführte und abgestrahlte elektromagnetische Störungen sind die von einem Gerät bzw. System austretende Hochfrequenz-(HF-)Energie. Die Menge der HF-Störungen ist gesetzlich festgelegt, um sicherzustellen, dass kein Schaden in anderen elektronischen Produkten verursacht wird. Bei niedrigen Frequenzen (weniger als 30 MHz) sind die Leiter und Kabel der meisten elektronischen Geräte als Antennen unwirksam. Die Störungen stellen somit kein Problem dar.

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Bei diesen niedrigen Frequenzen können die Leiter und Kabel HF-Energie durch gemeinsame Stromquellen oder Lasten hindurchleiten und Probleme in anderen Elektronikgeräten verursachen. Bei hohen Frequenzen (über 30 MHz) schwächt die Impedanz der Leiter und Kabel die geführte Energie ausreichend ab, womit sich das Problem erübrigt. Bei diesen höheren Frequenzen können die Leiter und Kabel jedoch als Antennen dienen und die HF-Energie als Störung für in der Nähe befindliche Elektronikgeräte ausstrahlen.

Die meisten Industrie- und Consumer-Elektronikgeräte, die in den USA verkauft werden, müssen Emissionsstandards hinsichtlich leitungsgeführter und abgestrahlter Störungen erfüllen, wie sie in den FCC-Vorschriften (Title 47 Part 15) beschrieben sind, oft als FCC Part 15 bezeichnet. Ähnliche Standards für in Europa verkaufte Produkte unterliegen den europäischen Vorschriften CISPR 22/EN 55022. Beide Regelungen beschreiben Grenzwerte für leitungsgeführte und abgestrahlte Störungen und werden auf das Endsystem, einschließlich der internen oder externen Stromversorgung, angewendet.

Während diese beiden Regelungen von getrennten Organisationen erstellt und verwaltet werden, sind sie als ähnlich oder harmonisiert anzusehen. Ein Vorteil dieser Harmonisierung ist, dass das Design eines Produkts, das eine der Vorschriften erfüllt, in der Regel sicherstellt, dass es auch die Anforderungen des anderen Regelwerks erfüllt. Leitungsgeführte Strahlungsspezifikationen decken Störungen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz ab. Weitere Spezifikationen hinsichtlich der Störstrahlung decken das Spektrum von 30 MHz und darüber ab.

Die Testverfahren und Messeinrichtungen unterscheiden sich bezüglich leitungsgeführter und abgestrahlter Störungen. Die Filter, die verwendet werden, um EMV-Probleme zu verringern, sind zwar ähnlich, unterscheiden sich aber in ihren elektrischen Werten. Das leitungsgeführte Störfrequenzband ist niedriger als das abgestrahlte Störfrequenzband, und somit sind die Filter, die leitungsgebundene Störungen beseitigen sollen, elektrisch und baulich größer als diejenigen, die für abgestrahlte Störungen verwendet werden.

Die EMV für Stromversorgungen sicherstellen

Die meisten eingebauten Netzteile werden nach EMV-Vorschriften konstruiert und getestet. Die Prüfung erfolgt zunächst als eigenständig konfigurierte Stromversorgung. Nach dem Einbau muss das fertige System ebenfalls getestet werden, um sicherzustellen, dass es den EMV-Vorschriften entspricht. Der Einbau kompatibler Stromversorgungen in Systeme minimiert mögliche EMV-Probleme während der Systemprüfung, garantiert aber nicht, dass das fertige System die Emissionsprüfung besteht.

Viele Anbieter integrierbarer Netzteile empfehlen bestimmte Schaltkreise, um EMV-Probleme zu beheben, die während der Systemintegration auftreten. Weil die Anforderungen bei jeder Anwendung anders sind, bleiben diese Empfehlungen dem Ermessen des Entwicklers überlassen. Auf diese Weise enthält jedes Design nur die für die jeweilige Anwendung benötigten Bauteile.

Auch die meisten Stecker- und Tischnetzteile werden auf diese Art aufgebaut und getestet, um die EMV-Vorschriften als eigenständige Einheiten zu erfüllen. Ist der Kunde ein Hersteller, der das Netzteil mit einer Last kombiniert, ist dieser verpflichtet, Tests durchzuführen, um sicherzustellen, dass das komplette System den EMV-Vorschriften entspricht. Da die Schaltkreise in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sind, wird das Hinzufügen externer Komponenten zur Beseitigung von EMV-Problemen bei Stecker- und Tischnetzteilen im Vergleich zu eingebauten Netzteilen schwieriger.

Vorgeschriebene EMV-Tests von Stromversorgungen erfolgen mit statischen ohmschen Lasten, aber fast alle Stromversorgungen basieren auf Schaltregler-Topologien. Ein Schaltregler erzeugt von sich aus leitungsgeführte und abgestrahlte Störungen, die während der Entwicklung des Netzteils vermindert werden müssen. Die Last kann dabei zusätzliche Störungen verursachen. Die Unsicherheit hinsichtlich leitungsgebundener und abgestrahlter Emissionen aus der kombinierten Anordnung von Stromversorgung und Last erfordert, dass die Schwankungen in den Testergebnissen eigenständiger Stromversorgungen berücksichtigt werden müssen, sobald eine Last an die Stromversorgung angelegt wird.

EMV-Tests sind möglichst früh erforderlich

Oft werden EMV-Tests aus Zeit- und Kostengründen sowie durch hohe Arbeitsbelastung bis zum Ende eines Projektes verschoben. Mangelndes Wissen über Konformitätstests erschwert solche Tests zusätzlich. Die benötigten Geräte und Einrichtungen für die EMV-Konformitätsprüfung sind sehr speziell, daher gibt es zahlreiche Testlabors mit erfahrenen Mitarbeitern, die bei der Prüfung helfen.

Die Kosten, die mit Konformitätstests einhergehen, werden oft sofort oder erst viel später mit berücksichtigt. Da solche Tests meist am Ende für die vollständige Zertifizierung durchgeführt werden, können die Kosten sehr hoch sein – bei vorab durchgeführten Tests sind die Kosten jedoch minimal. Ob ein Testlabor zur Verfügung steht, kann ein Problem sein, da viele Labore über mehrere Wochen ausgebucht sind. Allerdings können kleine Zeitblöcke für vorab durchgeführte Tests meist außerhalb der Spitzenzeiten gebucht werden. Da nur geringe Ressourcen für die vorläufige EMV-Prüfung zu Beginn eines Entwicklungszyklus erforderlich sind, lassen sich erhebliche und teure Redesigns später im Produktzeitplan verhindern.

EMV-Probleme? Nicht immer ist die Stromversorgung schuld

Ein häufiger Grund für die verzögerte EMV-Prüfung eines Systems ist das Missverständnis, dass generell die Stromversorgung die EMV-Probleme verursacht und somit ein System die Prüfung besteht, wenn das Netzteil bereits die vorgeschriebenen Tests als eigenständige Komponente bestanden hat. In vielen Fällen wird der Stromversorgung die Schuld für EMV-Probleme innerhalb des Systems gegeben, obwohl sie Wirklichkeit nur „der Übertrager“ ist.

Systemweite leitungsgeführte und abgestrahlte EMV-Probleme werden am Ende eines Projekts angesprochen. Dies ist die schlechteste Phase im Projektzeitplan, um unerwartete Aufgaben und Verzögerungen mit einzuplanen. Vernünftiger und oftmals kostengünstiger ist eine vorläufige EMV-Konformitätsprüfung – sobald die Fertigung des Systems begonnen hat. Zu Beginn eines Projekts sind die Zeitpläne flexibler und Entwicklungsteams sind empfänglicher für Designänderungen.

Am Ende eines Projektes wurde viel Aufwand betrieben, damit das System die erforderlichen Leistungskriterien erfüllt. Tritt nun ein Problem bei der EMV-Konformität auf, wird die Stromversorgung als das einfachste Ziel für weitere Konformitätsbemühungen ausgemacht, ohne dabei andere Systemleistungsparameter zu beeinflussen. Obwohl das System häufig die Quelle von HF-Störungen ist, können die Verkabelung am Eingang und der Ausgang der Stromversorgung als Antennen für abgestrahlte Störungen und als Leiter für leitungsgeführte Störungen dienen.

Es lassen sich zwar Bauelemente für die Rauschunterdrückung zur Stromversorgung hinzufügen, dies verringert aber nur die Auswirkungen des Problems und löst nicht dessen Ursache. Die mit der Stromversorgung verbundenen EMV-Entstörmaßnahmen erfordern Zeit seitens des Entwicklungsteams und können die bereits ausgegebenen Sicherheitszertifikate der Stromversorgung beeinträchtigen.

Alle Änderungen an diesen Zertifikaten erfordern auch Zeit und Ressourcen beim Hersteller des Netzteils. Die Systemschaltkreise müssen möglicherweise modifiziert werden, um die Entstehung von HF-Signalen zu minimieren, wenn die Bauelemente zur Unterdrückung leitungsgeführter und abgestrahlter Störungen unzureichend sind, um die EMV-Probleme ausreichend zu verringern.

Bei Produkten mit eingebauten Netzteilen können Komponenten für die EMV-Störunterdrückung entweder auf dem Netzkabel für die Stromversorgung oder auf dem Kabel zwischen dem Ausgang der Stromversorgung und dem Stromeingang des Systems hinzugefügt werden. Bypass-Kondensatoren und Ferritkerne sind solche Bauteile, mit denen sich Filter zur Unterdrückung von EMV-Störungen umsetzen lassen. Ferritkerne führen eine zusätzliche induktive Impedanz in Serie zum Pfad der unbeabsichtigten Störungen hinzu. Bypass-Kondensatoren liefern einen niederohmigen Pfad zu Shunt-Störsignalen, um die Signalausbreitung zu minimieren.

Systeme mit externen Netzteilen können nur schwer mit Bauteilen für die EMV-Unterdrückung an den Ein- oder Ausgängen der Stromversorgung ausgestattet werden. Abgestrahlte Störungen werden meist mit einem Ferritkern unterbunden, der sich auf dem Kabel zwischen Netzteil und System befindet. Die Störfrequenzen leitungsgeführter Emissionen sind so niedrig, dass die Größe des Ferritkerns, der um um ein Netzkabel herum passen muss, um Störungen abzuschwächen, für viele Anwendungen nicht akzeptabel wäre.

Leitungsgeführte Störungen in Systemen mit externen Netzteilen werden am besten zusammen mit dem Hersteller des Netzteils gelöst. Dabei wird das Design des vorhandenen Netzteils modifiziert oder ein anderes externes Netzteil spezifiziert, das verbesserte Komponenten zur Unterdrückung leitungsgeführter Störungen enthält.

Vorbereitende EMV- Konformitätsprüfungen

Die endgültige Prüfung leitungsgeführter und abgestrahlter Störungen muss in einem zertifizierten Labor mit kalibrierten Prüfgeräten und einer kontrollierten elektrischen Umgebung durchgeführt werden. Testlabore helfen bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen (Pre-Compliance-Tests) früh in der Entwicklungsphase. Will das Entwicklungsteam die Pre-Compliance-Tests selbst durchführen, können die Tests in einem Raum mit einer überschaubaren Anzahl an Testgeräten durchgeführt werden.

Die für die Durchführung der Tests erforderliche Ausrüstung ist ein LISN (Leitungsimpedanz-Stabilisierungsnetzwerk) und ein Spektrumanalysator. Ein LISN ist ein passives Netzwerk, das Störungen gängiger Stromleitungen minimiert. Es bietet auch einen geregelten Impedanz-Testanschluss zur Überwachung der leitungsgeführten Störungen aus dem EUT (Equipment Under Test). Der Spektrumanalysator kann ein einfaches Modell sein, das Messungen von 150 kHz bis 30 MHz durchzuführt. Viele Spektrumanalysatoren ermöglichen Quasi-Peak-Messungen und Konformitätsparametergrenzwerte auf dem Display, um die Testabläufe zu vereinfachen.

Vorbereitende Tests für abgestrahlte Störungen können mit einem Spektrumanalysator und einer geeigneten Antenne erfolgen. Der Spektrumanalysator sollte Messungen zwischen 30 MHz und mindestens 900 MHz unterstützen. Kann das Gerät Quasi-Peak-Messungen durchführen und die Konformitätsparametergrenzwerte im Display anzeigen, vereinfacht dies den Testablauf. Die Antenne, die für diesen vorläufigen Test verwendet wird, sollte eine Bandbreite aufweisen, die ähnlich der des Spektrumanalysators ist. Die Verstärkung gegenüber den Frequenzcharakteristiken muss bekannt sein.

Von Vorteil ist, die Prüfung abgestrahlter Störungen in einem elektrisch abgeschirmten Raum mit mindestens drei Metern Abstand zwischen der Antenne abstrahlender EMV-Störungen und dem EUT durchzuführen. Eine anfängliche Messung mit ausgeschaltetem EUT liefert Informationen über die bei der Prüfung vorhandenen HF-Störungen.

Das Management schätzt Projekte, die im Rahmen des Kostenbudgets und vor dem Zeitplan abgeschlossen werden. Leider sind EMV-Konformitätsprobleme eine gängige Ursache für steigende Kosten und längere Zeitpläne. Die Durchführung von Pre-Compliance-EMV-Tests während den Systemfertigungsphasen eines Projekts kann dazu beitragen, diese Last-Minute-Änderungen an einem Design sowie die Auswirkungen auf das Kostenbudget und den Zeitplan zu beseitigen.

Diese Tests tragen auch dazu bei, dass bei den letztendlich stattfindenden Konformitätstests keine Probleme auftauchen. Full-Service-Anbieter von Netzteilen und Stromversorgungen, wie CUI, verfügen über die Ausrüstung und das Know-how, um bei der Auswahl des richtigen Stromversorgungsdesign, einschließlich Pre-Compliance- und endgültigen EMV-Tests zu helfen.

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* Bruce Rose ist Applications Engineer bei CUI.

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