Diese Filter werden kundenspezifisch auf Basis der elektromagnetischen Signatur der Leistungswandler entwickelt. Um den Anforderungen militärischer Ausrüstung gerecht zu werden, müssen jedoch bestimmte elektrische (z. B. Spannungsspitzen, Restwelligkeit), mechanische (z. B. Vibrationen, Stöße) und umweltbedingte (z. B. große Höhe) Einschränkungen berücksichtigt werden. Dieser Artikel behandelt die Konstruktionsüberlegungen für Eingangsfilter und die Testanforderungen für Gleichstrom-Leistungsmodule für militärische Ausrüstung.
Was ist ein Eingangsfilter?
Die Auslegung dieses Eingangsfilters ist entscheidend für die Einhaltung der EMV-Normen und -Vorgaben. Eingangsfilter werden für verschiedene Zwecke eingesetzt:
• Unterdrückung von Störungen und Überspannungen, die in die erste Stufe des Netzteils gelangen können, und
• Reduzierung von Störungen, die sowohl bei der Schaltfrequenz als auch bei deren Oberschwingungen auftreten.
Schaltnetzteile finden zunehmend Anwendung in der Elektronik und weisen ein breites Frequenzspektrum auf, das durch physischen Kontakt auf andere Schaltungsteile übertragen werden und empfindliche Schaltungen in der Nähe stören kann. Störungen werden mit steigender Schaltgeschwindigkeit zu einem immer wichtigeren Problem, insbesondere wenn das schnelle Ein- und Ausschalten von Transistoren Stromflussunterbrechungen (und damit Spannungsspitzen und hochfrequentes Rauschen) verursachen kann. Diese Stromflussunterbrechungen können am Eingang von Abwärtswandlern, am Ausgang von Aufwärtswandlern sowie am Ein- und Ausgang von Sperrwandlern und Aufwärts-/Abwärtswandlern auftreten.
Störquellen in verschiedenen Spannungsreglern:
Der Eingang eines DC/DC-Abwärtswandlers ist durch das schnelle Ein- und Ausschalten seiner Schaltelemente gekennzeichnet. Dies führt zu diskontinuierlichen Strömen mit steilen Anstiegs- und Abfallflanken (hohe Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt) in den Eingangskondensatoren. Dadurch werden die Frequenz und mehrere Harmonische (oftmals niederenergetische Harmonische) nicht den Vorgaben entsprechend angepasst. Ein Aufwärtswandler im kontinuierlichen Leitungsbetrieb (CCM) weist am Ausgang elektromagnetische Störungen (EMI) auf, da schnelle Sperrverzögerungsdioden benötigt werden. Diese Dioden reduzieren zwar die Leistungsverluste erheblich, verursachen aber eine deutlich aggressivere Stromänderung (di/dt) und erhöhen somit die EMI. Im diskontinuierlichen Leitungsbetrieb (DCM) ist die Primärstromwelligkeit höher. Diese Welligkeit erzeugt ein variables Signal, das über Leiter mit gemeinsamem Kontakt an andere Systemteile weitergeleitet wird.
EMV: Abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen.
Leitungsgebundene Störungen treten im Allgemeinen bei Frequenzen unter 30 MHz auf, während abgestrahlte Störungen typischerweise Frequenzen über 30 MHz (oft zwischen 50 und 300 MHz) entsprechen. Es gibt jedoch Überschneidungen zwischen leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen. In Schaltnetzteilen sind Spannungsspitzen (hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt) häufig Quellen abgestrahlter Störungen. Wie bereits erwähnt, entstehen leitungsgebundene EMV üblicherweise durch diskontinuierliche Ströme (hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit di/dt) und lassen sich in Gleichtakt- (CM) und Gegentaktstörungen (DM) unterteilen.
Gleichtakt- und Gegentaktstörungen
: Gleichtaktströme werden typischerweise von di/dt dominiert und fließen zwischen der Versorgungsleitung und dem Rückweg; Gegentaktstörungen dominieren die niedrigeren Frequenzen. Es ist im Allgemeinen schwierig, das di/dt-Verhalten ohne grundlegende Änderungen an der Schaltung zu verändern. Die Reduzierung von di/dt wird typischerweise durch den Einsatz eines passiven Tiefpass-EMI-Filters (z. B. RC-Snubber, LC-Snubber, Pi-Glied, T-Glied usw.) erreicht, um durch diskontinuierliche Ströme verursachte Schwingungen zu dämpfen.
Gleichtaktströme sind im Allgemeinen eine Funktion von dV/dt und fließen zwischen den einzelnen Stromleitungen und der Erde. Koppeln Gleichtaktströme in langen Leitern oder Kabeln ein, kann die Verkabelung als Antenne wirken, wodurch Gleichtaktstörungen bei hohen Frequenzen dominanter werden. Abhängig von der Kabellänge und dem Abstand zwischen den Leitern und der Referenzmasse kann die Schleifenfläche für unbeabsichtigte Rückwege beträchtlich sein. Gleichtaktstörungen lassen sich durch effektive Konstruktionsmaßnahmen deutlich reduzieren, z. B. durch Annähern der Leiter an die Referenzmasse, sorgfältige Installation von Sicherheitskondensatoren, Abschirmung angeschlossener Kabelbäume oder Platzierung einer Gleichtaktreaktanz im Pfad der Gleichtaktströme. Eine Gleichtaktreaktanz bietet zudem einen hochohmigen Serienpfad, über den Gleichtaktströme aus dem Umrichter abfließen können, wobei Y-Kondensatoren einen EMI-Nebenschlusspfad zur Erde bilden.
Sowohl Gleichtakt- als auch Gleichtaktstörungen tragen zur elektromagnetischen Interferenz (EMI) bei. Die Rauschanteile beider Störungen müssen häufig quantifiziert werden, bevor der EMV-Filter gemäß den branchenüblichen EMV-Normen ausgelegt werden kann. Die Eingangs-EMI wird typischerweise mithilfe eines Netzimpedanzstabilisierungsnetzwerks (LISN) am Eingang des Prüflings (DUT) sowie eines Spektrumanalysators quantifiziert.
Überlegungen zum Design von Eingangsfiltern:
Passive EMV-Filterung ist im Allgemeinen der gängigste Ansatz zur Rauschunterdrückung. Die Filterung kann jedoch problematisch sein, wenn Filter mit den variierenden Rauschquellen in einem Schaltnetzteil und den unterschiedlichen Lastimpedanzen abgeschlossen werden. Typischerweise bestehen diese Filter aus verschiedenen Anordnungen von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten. Die Amplitude der Grundfrequenz und der ersten Harmonischen ist am größten und trägt am meisten zum Gesamtrauschen bei, während die Amplitude höherer Harmonischer mit steigender Frequenz abnimmt. Die Dämpfungsfähigkeit des Filters für diese Rauschkomponenten steigt ebenfalls mit der Frequenz. Daher stellt die Rauschunterdrückung bei der Grundfrequenz und den niederfrequenten Harmonischen eine bedeutende Herausforderung für das Design dar.
Typischerweise dämpfen große passive Filter niederfrequente Emissionen. Hochfrequente Emissionen können jedoch aufgrund ihrer parasitären Natur (z. B. des äquivalenten Serienwiderstands und der äquivalenten Serieninduktivität (ESR/ESL) eines Kondensators und der Parallelkapazität einer Induktivität) zusätzliche Designüberlegungen erfordern. Andere EMV-Filtertechniken verwenden häufig aktive Komponenten: Eine solche Technik ist die Verwendung von Spread-Spectrum-Verfahren oder Dithering, um die Schaltfrequenz des Netzteils zu modulieren und Frequenzspitzen sowie niederfrequente Oberschwingungen zu reduzieren. Die gewählte Technik hängt letztendlich von der spezifischen Rauschsignatur des Schaltnetzteils sowie von den Kosten, der Größe und den regulatorischen Vorgaben des Designs ab.
Neben der Einhaltung von EMV-Normen können EMV-Filter auch Hochstromimpulse dämpfen, die von der Last in den Eingang des Schaltnetzteils reflektiert werden. Da die zu erwartenden Impulscharakteristika jedes Schaltnetzteils variieren, ist oft eine kundenspezifische Entwicklung erforderlich, um Überspannungen ausreichend zu unterdrücken. Dies ist insbesondere bei Leistungselektronik nach MIL-SPEC ein wichtiger Aspekt. Militärische Ausrüstung muss eine Vielzahl elektrischer, mechanischer und umwelttechnischer Anforderungen erfüllen, die Hersteller dazu zwingen, Leistungselektronik von Grund auf sorgfältig zu entwickeln: Materialien müssen geprüft und die Anforderungen an die elektrische, mechanische und umwelttechnische Leistung erfüllt werden.
Ein Blick auf gängige Militärstandards für Netzteile:
MIL-STD-461 legt die Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen von elektrischen Geräten fest und enthält Richtlinien für die genaue Messung von elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Überschreitet das Schaltnetzteil diese Grenzwerte – was häufig der Fall ist –, benötigt es einen EMI-Filter, um die Konformität wiederherzustellen. Die Wahl eines beliebigen handelsüblichen EMI-Filters führt jedoch nicht zwangsläufig dazu, dass das Netzteil plötzlich den Standardanforderungen entspricht. Das Gerät kann so stark störanfällig sein, dass der Einsatz eines EMI-Filters am Eingang zu weiteren Ausfällen führt. Die verschiedenen Anforderungen von MIL-STD-461 und ihre Beschreibungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Elektronische Geräte, die dem MIL-STD-461-Standard entsprechen, listen üblicherweise die spezifischen CE-, CS- und RE-Anforderungen auf, die sie erfüllen.
Elektromagnetische Störungen (EMI) sind nicht der einzige Faktor, der für die Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit elektronischer Bauteile relevant ist. Netzteile müssen auch unter verschiedenen Spannungsbedingungen, einschließlich Verpolung, Spannungsspitzen und Überspannungen, zuverlässig funktionieren. Der Standard MIL-STD-1275E legt die Testbedingungen für den Eingang eines 28-V-Netzteilsystems sowie die erwarteten Leistungsparameter für solche Geräte fest. Diese Systeme werden voraussichtlich in militärischen Bodenfahrzeugen, zivilen Geländefahrzeugen und schweren militärischen und zivilen Geräten eingesetzt.
Andere Militärstandards, wie beispielsweise MIL-STD-704F für die Stromversorgung von Flugzeugen und DO-160G für Bordgeräte, spezifizieren die Umgebungsbedingungen und Testverfahren zur adäquaten Simulation verschiedener Spannungsbedingungen. Der Standard MIL-STD-810 enthält Testbedingungen und Anforderungen für Geräte, die mechanischen Stößen, Vibrationen und großen Höhen ausgesetzt sind. Dies ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Netzteils unter rauen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Stromversorgungen für Militärfahrzeuge und Bordsysteme müssen voraussichtlich die Normen MIL-STD-1275E/MIL-STD-704F, MIL-STD-461 und Teile von MIL-STD-810 erfüllen, um für den Einsatz geeignet zu sein. P-DUKE, in Spanien und Portugal von Electrónica OLFER vertrieben, bietet eine Reihe von MIL-SPEC MCF-Frontend-Filtern an, die mit ausgewählten DC/DC-Wandlern kombiniert werden können, um alle diese Spezifikationen zu erfüllen.
P-DUKE MCF-Serie:
Die MCF-Serie bietet EMV-Filterung und Überspannungsschutz, um die Anforderungen an leitungsgebundene Störaussendung, Störfestigkeit und abgestrahlte Störaussendung gemäß MIL-STD-461G, die Anforderungen an Überspannungs-/Spitzenfestigkeit zahlreicher Militärnormen sowie die Anforderungen an Höhen-/Stoß-/Vibrationsfestigkeit gemäß MIL-STD-810 (Tabelle 2) zu erfüllen.
Die Serie bietet einen aktiven Eingangsüberspannungsschutz, der Spannungsspitzen bis zu 100 V für maximal 50 ms auf ein sicheres Niveau von 40 V abschirmt und Spitzen von ±25 V mit einer internen Schutzschaltung absorbiert (Abbildung 1).
Wie in Abbildung 2 dargestellt, umfasst die Serie weitere aktive Schutzfunktionen wie Fernsteuerung (Ein/Aus), Überlastschutz, Ausgangskurzschlussschutz, Verpolungsschutz, Einschaltstrombegrenzung und mehr.
Abbildung 3 zeigt eine deutliche Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMI). Die EMV-Leistung des 200-W-DC/DC-Wandlers HAE200 wurde vor und nach dem Einsatz des MCF-Filters getestet. Dies reduziert die Kosten und den Entwicklungsaufwand für einen kundenspezifischen EMV-Filter und die zugehörige Peripherieschaltung erheblich. Mit einer Nennleistung von bis zu 250 W können die MCF-Frontend-Filter in einer Vielzahl militärischer Geräte eingesetzt werden.
Abbildung 3: DC/DC-Wandler HAE200 mit MCF-Filter zur Erfüllung der EMV-Anforderungen gemäß MIL-STD 461G.
MCF-Filter ermöglichen die nahtlose Integration in militärische Systeme.
EMI-Filter können nicht einfach willkürlich ausgewählt werden, um ein Netzteil konform zu machen, und der Entwicklungsprozess für diese Filter kann recht komplex sein und hohe einmalige Entwicklungskosten (NRE) verursachen.
Dies gilt insbesondere für militärische Ausrüstung, deren Bordsysteme in Militärfahrzeugen und Flugzeugen, die mit 24-V-Batterien oder 28-V-Generatoren betrieben werden, strengen Anforderungen in vielerlei Hinsicht unterliegen. Dadurch sind Standardkomponenten und kundenspezifische Lösungen unpraktisch. P-DUKE und OLFER Electronics bieten DC/DC-Wandler mit 15–250 W an, die in Kombination mit entsprechenden MCF-Vorfiltern die militärischen Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit und Überspannungsschutz erfüllen.
Autor: Technische Abteilung P-DUKE POWER
Marketingabteilung OLFER Electronics
