Kürzere Entwicklungszeiten für Leistungselektronik durch den Einsatz von Oszilloskopen zur EMV-Fehlersuche

Das Oszilloskop ist das Arbeitspferd des Leistungselektronikers. Dank leistungsfähiger und bedienfreundlicher FFT-Analysefunktionen gehört auch die EMV-Fehlersuche zu den Anwendungsfeldern für Oszilloskope – wodurch sich erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen ergeben. Eine typische Aufgabe ist die Überprüfung der Wirksamkeit eines EMI-Filters zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklungsphase.

Kürzere Entwicklungszeiten für Leistungselektronik durch den Einsatz von Oszilloskopen zur EMV-Fehlersuche – RTM3004

Ihre Anforderung

Die Messung leitungsgebundener Störungen am Ende des Entwicklungsprozesses eines Schaltnetzteils ist obligatorisch. Der Hersteller muss sicherstellen, dass das Produkt mit den einschlägigen Normen konform ist, bevor es auf den Markt gebracht werden kann. Eine vollständige Konformitätsprüfung erfordert eine Messkammer und einen geeigneten EMI-Messempfänger. Überschreitet das Produkt die Grenzwerte der jeweiligen Norm, muss das Netzteil unter Umständen modifiziert werden, was sich auf viele Aspekte des Schaltnetzteils wie EMI-Eingangsfilter, Leiterplattendesign oder Grundsatzentscheidungen wie die Auswahl der geeigneten Schaltfrequenz auswirken kann. Dadurch kann sich die Produkteinführung erheblich verzögern. Oftmals ist es notwendig, das Produkt teilweise neu zu designen. Dieses Risiko kann stark reduziert werden, indem leitungsgebundene Störungen bereits in einer früheren Entwicklungsphase gemessen werden. Für Precompliance-Tests ist nicht unbedingt eine Prüfkammer erforderlich. Benötigt wird ein Gerät, welches das Spektrum der Eingangs- und Ausgangsleitungen des Netzteils in vergleichbarer Weise messen kann. Dies kann ein Spektrumanalysator, aber auch ein Oszilloskop sein.

Kürzere Entwicklungszeiten für Leistungselektronik durch Verwendung eines Oszilloskops zur EMV-Fehlersuche – Oszilloskop

Messtechnische Lösung

Rohde & Schwarz Oszilloskope bieten eine leistungsstarke, einfach zu bedienende FFT-Analysefunktion zur Messung des Betrags der Frequenzkomponente. Der Benutzer kann gleichzeitig die zeitbereichsbezogenen Signale sehen und daher die unerwünschten spektralen Aussendungen den jeweiligen Zeitbereichsereignissen zuordnen. Das macht diese Oszilloskope zu leistungsfähigen Standalone-Geräten für die Messung der leitungsgebundenen Störungen von Leistungselektronik-Designs in einer frühen Entwicklungsphase. Nützlich ist dies besonders dann, wenn das F&E-Labor über keine Spezialgeräte wie EMI-Messempfänger verfügt, mit denen die Precompliance-Messungen während der Entwicklungsphase durchgeführt werden könnten.
Je früher die Frage der EMV-Konformität angegangen wird, desto niedriger ist die Wahrscheinlichkeit, dass am Ende des Entwicklungsprozesses Probleme auftreten. Die frühzeitige Erkennung von EMV-Problemen ermöglicht in der Regel eine weniger kostspielige und schnellere Behebung. Oszilloskope sind nicht nur unverzichtbare Geräte in der Hardware-Entwicklung und Systemprüfung, sie lassen sich auch als leistungsstarke Werkzeuge zur Überprüfung der Störaussendungen in Forschung und Entwicklung einsetzen.

Messaufbau
Zur Messung der leitungsgebundenen Aussendungen eines Netzteils wird eine Netznachbildung benötigt, die den Prüfling von der externen Spannungsversorgung entkoppelt. Zur Impedanzanpassung muss der koaxiale Ausgang der Netznachbildung über ein Koaxialkabel mit einer am Oszilloskop aktivierten Eingangsimpedanz von 50 Ohm mit dem Oszilloskop verbunden sein. Am Oszilloskop sind zur Messung des Spektrums die folgenden Schritte auszuführen:

  • Aktivieren der FFT und Konfigurieren der Minimal- und Maximal-Frequenz sowie der Auflösebandbreite.
  • Einstellen der vertikalen Empfindlichkeit im Zeitbereichsfenster, sodass der Eingangskanal nicht übersteuert wird, wenn der Prüfling eingeschaltet wird.
  • Ausschalten der Spannungsversorgung des Prüflings für eine Referenzmessung. Dadurch wird sichergestellt, dass das Grundrauschen des Messaufbaus bekannt ist und nicht auf den Prüfling zurückgeführt wird.
  • Wiedereinschalten der Spannungsversorgung und Durchführung einer Messung. Vergleich mit bekannten Grenzwerten des Prüflings für leitungsgebundene Aussendungen. Berücksichtigung einer möglichen zusätzlichen Dämpfung durch die Netznachbildung.
Störspektrum ohne Eingangsfilter
Störspektrum ohne Eingangsfilter

Fallstudie: Wirksamkeit des EMI-Filters
Die folgenden beiden Screenshots zeigen eine Messung der leitungsgebundenen Störaussendungen mit dem R&S®RTM3000 Oszilloskop – mit und ohne EMI-Filter.

Kanal 1 zeigt das gemessene Zeitsignal, das an der Netznachbildung anliegt. Aufgrund der Netznachbildung wird dieses Signal um einen Faktor von 10 dB gedämpft, was beim Vergleich der Messwerte mit den Störaussendungsgrenzwerten zu berücksichtigen ist. Das untere Fenster zeigt das Spektrum in dBuV an der Eingangsklemme des Netzteils. Ohne EMI-Filter ist das am Eingang des DC/DC-Wandlers erzeugte Rauschspektrum deutlich sichtbar. Demgegenüber zeigt die Messung mit EMI-Filter, dass die leitungsgebundenen Störaussendungen auf der Eingangsleitung effektiv gedämpft werden.
Bei manchen Frequenzen ist eine Dämpfung von bis zu 30 dB erkennbar.

Störspektrum mit Eingangsfilter
Störspektrum mit Eingangsfilter

Um Störungen im unteren Frequenzbereich zu überprüfen, muss die Messung wiederholt werden, dieses Mal mit Fokus auf die unteren Frequenzen.

Fazit

Mit der FFT-Funktion der Rohde & Schwarz Oszilloskope steht ein leistungsstarkes Werkzeug zur Überprüfung leitungsgebundener Störaussendungen von Netzteilen zur Verfügung. Da das Oszilloskop bei der Entwicklung von Leistungselektronik ohnehin allgegenwärtig ist, kann dessen Einsatz zur Beurteilung von Störaussendungen in einer frühen Entwicklungsphase zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führen. Dadurch wird es wahrscheinlicher, dass die EMV-Konformität ohne wesentliche Umgestaltung des Produkts aufgrund fehlgeschlagener Tests erreicht werden kann.

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