EMI-Fehlersuche an einem Schaltnetzteil mit R&S®FPC1000/ R&S®FPC1500

LP, Filterung, Ground Bounce, Software etc.
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Ihre Anforderung

Heutzutage sehen sich Ingenieure in Forschung und Entwicklung mit anspruchsvollen Produkteinführungszeiten konfrontiert. Die Streckung des Produktentwicklungsplans und die Verzögerung der Produkteinführung kann sich in Bezug auf verpasste Gelegenheiten und verlorene Marktanteile als sehr kostspielig erweisen. Eine beträchtliche Anzahl von Produkten verfehlt im ersten Versuch die EMV-Konformität. Die Zeit, die mit der Fehlersuche, Isolierung und Beseitigung des EMI-Problems verloren geht, verzögert auch den Markteintritt entsprechend.

Magnetische und elektrische Feldlinien auf einer typischen Mikrostreifenleitung
Magnetische und elektrische Feldlinien auf einer typischen Mikrostreifenleitung
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Lösung von Rohde & Schwarz

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist es sinnvoll, bereits während des Produktentwicklungszyklus EMI-Tests durchzuführen. So erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die EMV-Konformitätstests, die üblicherweise am Ende des Produktentwicklungszyklus durchgeführt werden, tatsächlich bestanden werden. Wie gezeigt, kann sich herausstellen, dass die Kosten für die Behebung von EMI-Problemen zu einem späten Zeitpunkt im Entwicklungszyklus höher sind, als wenn man dies frühzeitig erledigen würde. Vorbeugende Maßnahmen, die an Kontrollzeitpunkten im Entwicklungszyklus greifen, können dabei helfen, kostspielige Projektverzögerungen zu vermeiden. Ein gutes Beispiel sind Schaltnetzteile. Bei Entwürfen mit Schaltnetzteilen ist gründliches Testen unabdingbar. Die Kombination aus hoher Leistung und schnellen Schaltvorgängen birgt großes Potenzial für Störaussendungen.

Messaufbau für gestrahlte Störungen
Messaufbau für gestrahlte Störungen: Störaussendungstests mit Nahfeldsonden zur Detektion. Bei diesem Messaufbau kommen H-Feld-Sonden zum Einsatz, um Störaussendungen vom Prüfling zu messen.
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Störaussendungen

Störaussendungen sind eine Begleiterscheinung jedes elektrischen Stromkreises. Störaussendungsmessungen ermitteln die elektromagnetische Feldstärke der unerwünschten Emissionen eines Produkts.

Einfacher Messaufbau
Nur ein paar Schritte sind für eine Session zur EMI-Fehlerbeseitigung notwendig:

  • Schließen Sie eine passende R&S®HZ-17 Nahfeldsonde an den HF-Eingang des R&S®FPC1000 oder R&S®FPC1500 Analysators an
  • Bewegen Sie die Sonde über die zu prüfende Platine oder Baugruppe
  • Mit der R&S®ELEKTRA EMI-Software (R&S®ELEMI-E) können die Ergebnisse einfach dokumentiert werden

Der R&S®HZ-17 Sondensatz enthält zwei unterschiedliche Sonden. Die größere Ringsonde bietet eine ausgezeichnete Verstärkung und eignet sich gut für Übersichtsmessungen. Die kleine Sonde weist einen stiftförmigen Kopf auf. Sie verfügt über eine gute Verstärkung und brilliert bei der räumlichen Auflösung bis auf Leiterbahnebene. Beachten Sie, wie in der Abbildung unten gezeigt, bei beiden Sonden die Polarisation. Feldlinien müssen vertikal zur Empfangsfläche der Sonden verlaufen.

Bei der Messung hochfrequenter Störungen, die durch Schalttransienten < 1 μs verursacht werden, beträgt der relevante Frequenzbereich für Störaussendungen 30 MHz bis 1000 MHz.

Auf Basis der Komponentenauswahl oder früherer Messungen kennt der Entwickler möglicherweise bereits mehrere kritische Frequenzen der Platine oder Baugruppe. Die Frequenz und Darstellbreite müssen am R&S®FPC entsprechend eingestellt werden. Begrenzungslinien lassen sich für Pass/Fail-Anzeigen am Display verwenden. So können Verbesserungen nach der EMI-Designoptimierung leichter nachvollzogen werden.

Provisorische Messaufbauten auf dem Labortisch mit offenen Leiterplatten können zu Kopplungsproblemen bei hohen Frequenzen führen, die sich eindämmen lassen, indem die Platinen in einem Metallgehäuse montiert und optimal an Masse angeschlossen werden.

Abhilfemaßnahmen an Schaltnetzteilen

Falls der Prüfling die Emissionsgrenzwerte überschreitet, kann eine Optimierung des LP-Layouts (d. h. Leiterbahnen verkürzen, Kopplung vermeiden) oder aktives Testen (d. h. Auswahl der Bauelemente aufgrund der gemessenen Ausstrahlungen) Abhilfe schaffen.

Messaufbau für leitungsgebundene Störungen
Messaufbau für leitungsgebundene Störungen
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Leitungsgebundene Störaussendungen

Bei der EMI-Prüfung sind nicht nur die abgestrahlten Emissionen zu bestimmen, sondern auch leitungsgebundene Störaussendungen, die in das Versorgungsnetz laufen. Dazu müssen die HF-Signale vom Netz getrennt und auf 50 Ω stabilisiert werden. Dies geschieht durch eine Netznachbildung.

Die elektrische Umgebung in einem Labor ist prinzipiell verrauscht und wechselhaft. Für reproduzierbare Messungen ist eine Massereferenzplatte erforderlich. Die Verwendung einer Schirmkammer ist hilfreich, um den Empfang von Umgebungssignalen zu verhindern.

Einfacher Messaufbau
Rohde & Schwarz bietet eine einfache Lösung für leitungsgebundene EMI-Messungen an.
Schließen Sie die R&S®HM6050-2 Netznachbildung an folgende Komponenten an:

  • An die Netzversorgung über einen Trenntransformator
  • An den Prüfling
  • An den R&S®FPC Spektrumanalysator über ein BNC-Kabel
  • An den PC, auf dem R&S®ELEKTRA EMI (R&S®ELEMI-E) läuft; mit Hilfe eines seriellen/USB-Adapterkabels für Netzumschaltung und einer LAN-Verbindung zum R&S®FPC für die Fernsteuerung

Sobald die Geräte in R&S®ELEKTRA EMI eingerichtet sind, werden Sie über die Software mit vorkonfigurierten Messaufbauten einfach per „Push Play“ gesteuert.

Übersichtsmessungen mit dem Spitzenwertdetektor und dem parallelen Mittelwertdetektor im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz liefern die Grund- und Oberschwingungen der Schaltfrequenz.

Da die Messung zunächst nur mit der Einstellung auf Phase L1 oder Phase N der Netznachbildung durchgeführt wird, muss geprüft werden, ob die Amplituden der anderen Phase höher sind. In manchen Fällen müssen die Messsequenzen mehrmals wiederholt werden.

Abhilfemaßnahmen an Schaltnetzteilen
Falls der Prüfling die Emissionsgrenzwerte überschreitet, kann eine Optimierung des Schaltnetzteil-Layouts Abhilfe schaffen (Leiterbahnen verkürzen, Kopplung vermeiden, Masseverbindungen optimieren). Auch Ferrite können hilfreich sein – Voraussetzung hierfür ist jedoch zunächst ein gutes Leiterplattendesign. Eine weitere, in der Regel kostspielige Option sind zusätzliche Abschirmmaßnahmen.