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Passive Bauelemente EMV-Filter-Design auf Knopfdruck

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EMV-Konformität eines Produkts ist lästig, aber unvermeidlich. Gleichzeitig ist das Design von EMV-Filtern keineswegs trivial. Das Tool Redexpert EMI Filter Designer erleichtert den Filterentwurf und hilft damit, Zeit und Kosten zu sparen.

Das Tool Redexpert EMI Filter Designer erleichtert den Entwurf von EMV-Filtern und hilft damit, Zeit und Kosten zu sparen.
Das Tool Redexpert EMI Filter Designer erleichtert den Entwurf von EMV-Filtern und hilft damit, Zeit und Kosten zu sparen.
(Bild: Würth Elektronik eiSos)

Die Einhaltung der EMV-Konformität (Elektromagnetische Verträglichkeit) ist häufig die letzte Hürde, die ein elektronisches Gerät im Entwicklungsprozess überwinden muss. Dabei sind nicht selten schaltungstechnische und Layout-spezifische Änderungen erforderlich. Diese verlängern dann den Produktentwicklungszyklus und steigern die Kosten. Daher bietet Würth Elektronik nun im Rahmen seiner Tool-Familie Redexpert den Redexpert EMI Filter Designer an, mit dem sich EMV-Filter für leitungsgebundene Gegentakt-Störsignale entwerfen lassen. Ein typisches Anwendungsgebiet ist ein Eingangsfilter für DC/DC-Wandler, insbesondere wenn dieser mit störaussendungsintensiven Schaltreglern arbeitet. Genauso lassen sich aber auch Filter zur Dämpfung von breitbandigen Störungen für andere Applikationen berechnen.

Eine Filterschaltung soll eine vorher definierte Einfügedämpfung im gewählten Frequenzbereich realisieren. Dies lässt sich mit einer hohen Impedanz über den gewünschten Frequenzbereich durch eine größtmögliche Fehlanpassung zwischen Last und Quelle erreichen. Dabei ist die Einfügedämpfung a definiert als das Verhältnis der Spannung ohne Filter im Vergleich zur ansonsten gleichen Schaltung mit Filter:

Bildergalerie

0105537262 (Bild: Würth Elektronik eiSos)

Für ein LC-Filter 2. Ordnung gilt für die Grenzfrequenz fc die folgende Gleichung:

0105537268 (Bild: Würth Elektronik eiSos)

Allerdings geht diese Gleichung von idealen Bauelementen aus. Nicht berücksichtigt werden bei der Induktivität der Windungswiderstand RDC, die Kapazität zwischen den Windungen und beim Kondensator der äquivalente Serienwiderstand ESR und die äquivalente Serieninduktivität ESL usw.

Das Tool Redexpert EMI Filter Designer

Der Redexpert EMV Filter Designer berücksichtigt diese Parameter im Frequenzbereich bis 30 MHz, sodass die Simulation deutlich genauer das reale elektrische Verhalten der Bauelemente und die Filtercharakteristik bis zur 4. Ordnung widerspiegelt.

Aus den Eingangsgrößen Betriebsspannung, -strom, Last-/LISN- (Line Impedance Stabilization Network) und Störquellenimpedanz, Grenzfrequenz sowie Dämpfung bei definierter Frequenz ermittelt der EMI-Filter-Designer die am besten passende Topologie als Vorschlag.

Es stehen insgesamt sechs Topologien für Filter von 2. bis 4. Ordnung zur Verfügung: LC, CL, Pi (CLC), T (LCL), LC-LC und CL-CL.

Nach Auswahl der Topologie berechnet die Software die diskreten Bauelementewerte und simuliert die Frequenzverläufe von Verstärkung, Eingangs- und Ausgangsimpedanz des Filters. Eine Zusammenfassung zeigt nochmal die Eingangsgrößen, die Schaltung, eine Stückliste mit Bestellfunktion und die simulierten Frequenzverläufe. Die Berechnung und die folgende automatische Auswahl der Bauelementewerte basiert auf einer Butterworth-Charakteristik mit entsprechender Lage der Pole.

Praxisbeispiel mit dem Redexpert EMI Filter Designer

Der Redexpert EMI Filter Designer ist ein Online-Tool, das sich zur Entwicklung eines Eingangs- oder Ausgangsfilters für AC/DC- oder DC/DC-Wandler etc. eignet. Ein typisches Eingangsfilter für einen DC/DC-Wandler zeigt Bild 1. Das Hauptziel des Filter-Tools ist die Berechnung einer sauberen Signaldämpfung für definierte Eingangsparameter durch Erzielung einer maximalen Impedanzfehlanpassung.

Unsymmetrisches Eingangs­filter für DC/DC-Wandler

Für ein gutes Filter-Design sind möglichst genaue Schaltungsspezifikationen erforderlich. In der Realität haben DC/DC-Wandler eingangsseitig einen parallel zur Eingangsimpedanz liegenden Bulk-Kondensator, sodass es üblich ist, den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) als Eingangsimpedanz anzunehmen. Der ESR-Wert liegt üblicherweise im Bereich von 0,1 bis 1 Ω.

Nimmt man beispielsweise als Elektrolyt-Kondensator den WCAP-AS5H 865230557007 von Würth Elektronik an, dann beträgt der ESR-Wert 100 mΩ. Will man nun eine Filtercharakteristik mit einer Dämpfung von 35 dB bei 350 kHz erzielen, empfiehlt das Tool eine CL-Schaltung (Bild 2) und bestimmt die Werte der Bauelemente zu C1 = 47,0 µF und L1 = 240 nH. Bild 3 zeigt darüber hinaus den Frequenzgang von Dämpfung, Eingang- und Ausgangsimpedanz.

Ausgangsfilter für DC/DC-Wandler

Aufgrund der heute üblichen hohen Schaltfrequenzen von DC/DC-Wandlern benötigen diese ein Ausgangsfilter, das hochfrequente Störungen und die Restwelligkeit des Signals (Ripple) reduziert. Beispielsweise könnte ein Ausgangsignal einen Anteil von 50 mV Ripple bei 1 MHz aufweisen, der auf 15 mV reduziert werden soll. Die erforderliche Dämpfung a in dB ergibt sich gemäß der folgenden Gleichung:

0105544960 (Bild: Würth Elektronik)

Mit den Eingangsparametern „Attenuation 11 dB“ und „at Frequency 1 MHz“ und der Wahl des Ausgangsfilters als LC-Kombination und Load Impedance = 50 Ω / Noise Source Impedance = 0,1 Ω, empfiehlt das Tool nun eine LC-Topologie mit L1 = 55 nH und C1 = 4,7 µF. Bezüglich der Topologie ist zu beachten, dass die Störquelle immer auf der rechten Seite vom angegebenen Filter liegt und die Last auf der linken (Bild 1). Das heißt, das Filter muss in der entsprechenden Schaltung so integriert werden, dass sich die Induktivität unmittelbar am DC/DC-Wandler befindet und der Kondensator parallel zur Last liegt.

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