Verbesserung der EMV-Performance in Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer hohen Effizienz und Leistungsdichte sehr gefragt. Allerdings können sie bei EMV-Prüfungen häufig Probleme mit leitungsgebundenen und abgestrahlten Emissionen verursachen. Um diese Probleme zu vermeiden, können Schaltnetzteile mit Dämpfungsgliedern («Snubber») ausgerüstet werden und so zum Bestehen der EMV-Zertifizierung beitragen.

Schwingungen auf PCBs unter Kontrolle halten

Die Leistungsfähigkeit eines Produkts kann beeinträchtigt werden, wenn auf den PCBs unerwünschte Spannungs- oder Stromspitzen («Ringing») auftreten. Diese Schwingungen werden durch die Streuinduktivität des Transformators in Verbindung mit den parasitären Kapazitäten des Schaltelements und der Leiterplatte verursacht.
Snubber werden in elektronischen Schaltungen über Schalt- oder Gleichrichterelementen eingesetzt, um unerwünschtes Ringing zu dämpfen und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Schaltung zu erhöhen. Die Snubber können sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite eines Schaltnetzteils angeordnet sein.

Dieses Beispiel zeigt einen isolierten DC/DC-Wandler mit dem UCC3809 Controller und Schaltung gemäss Referenzdesign. Auf der Primärseite des Transformators ist ein Widerstands-Kondensator-Dioden-Snubber (RCD-Snubber) angebracht, während auf der Sekundärseite ein Widerstands-Kondensator-Snubber (RC-Snubber) bestückt ist.

Die gebräuchlichsten Snubber-Typen

Die Simulationsdiagramme zeigen das Spannungs-Zeit-Verhalten vor und nach dem Einsetzen der unterschiedlichen Snubber:

• RC-Snubber: Ein einfach zu verwendender Snubber, der sowohl die Amplitude als auch die Dauer der Schwingungen reduziert.
  
• «Rate of Rise»-Snubber: Die Geschwindigkeit der Spannungsänderung über einem Schaltelement wird reduziert, wodurch ebenfalls die Amplitude der Spannung über dem Element verringert wird.
  
• «Clamp»-Snubber: Die Spannungsspitzen über dem Schaltelement (Q2) werden auf die Eingangsspannung zurückgeführt, was zu einer geringeren Belastung des Bauelements führt.
  

Herausforderungen bei der Verwendung von Snubbern

Die genaue Ausführung und Platzierung eines Snubbers hängt von den spezifischen Anforderungen und Bedingungen der jeweiligen Schaltung ab. Es ist daher genau abzuwägen, wann und in welcher Ausführung ein Snubber sinnvoll ist. Neben den zusätzlichen Bauteilen und dementsprechend höheren Kosten, benötigt ein Snubber auch Platz auf der Platine. Die wohl grösste Herausforderung ist jedoch die durch einen Snubber verursachte Verlustleistung, die den Wirkungsgrad des Netzteils verringert und unerwünschte Wärme im System erzeugt. Es ist also immer ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und EMV-Performance.
Aufgrund von parasitären Effekten der Schaltelemente und der Leiterplatte ist die Auswahl der richtigen Komponenten in der Regel kein einfacher Prozess. Daher ist eine Feinabstimmung auf der endgültigen Leiterplatte mit Hilfsmitteln wie einem schnellen Oszilloskop erforderlich.

Wichtige Überlegungen für einen erfolgreichen Einsatz

Um eine einwandfreie Funktion eines Snubbers zu gewährleisten, sind abschliessend folgende Punkte zu beachten:

• Die Snubber-Komponenten müssen in der Nähe des Schaltelements platziert werden. Dadurch werden Schleifen (Induktivitäten) minimiert und parasitäre Effekte der Leiterbahnen und der Leiterplatte selbst reduziert.
• Berechnen Sie die zu erwartenden Snubber-Komponenten im Voraus.
• Überprüfen Sie das korrekte Verhalten der Snubber-Komponenten in der Schaltung, da Berechnungen und Simulationen von der Realität abweichen können. Passen Sie die Komponenten gegebenenfalls an.
• Überprüfen Sie die Verluste in den Snubber-Widerständen, da diese dazu neigen, sich zu erwärmen, insbesondere wenn sie Ringing wirksam reduzieren.
• Wählen Sie den richtigen Spannungswert für den Kondensator, da hohe Spannungsspitzen auftreten können.

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Autor:

Daniel Gugelmann, Senior Embedded Systems Engineer

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