Ein DC/DC-Wandler, der in seiner Stromversorgung Rauschen erzeugt, ist unerwünscht. Doch ab wann ist es zu viel und wie misst man es überhaupt? Anders als bei AC/DC-Wandlern gibt es keine gesetzlichen Normen für einen zulässigen Pegel oder eine geeignete Messanordnung. Zudem variieren Rauschamplitude und -spektrum je nach Erdungsanordnung und ob der DC/DC-Wandler isoliert ist oder nicht.
Hersteller von DC/DC-Wandlern geben die Einhaltung von Normen wie EN 55032, CISPR 32 und FCC Teil 15 mit Grenzwerten der Klassen A und B an. Diese beziehen sich jedoch auf die maximal zulässigen Pegel in einem Wechselstromverteilungsnetz und sind für die Eingangsleitungen von DC/DC-Wandlern irrelevant. Die Störfestigkeit eines Systems mit internen DC/DC-Wandlern hängt stark von der Störfestigkeit anderer, gegebenenfalls an die Gleichstrom-Eingangsleitung angeschlossener Geräte sowie von der physikalischen Anordnung ab. Beispielsweise können leitungsgebundene Störungen auf langen internen Gleichstromverbindungen externe elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen. Ist vorbehaltlich gesetzlicher Normen, wie sie beispielsweise in der europäischen EMV-Richtlinie festgelegt sind.
Es kann daher sinnvoll sein, Messungen gemäß einer Norm wie EN 55032 durchzuführen, sei es auch nur als subjektives Maß und zum Vergleich konkurrierender Produkte. Entscheidend für die Messung von Geräten mit Wechsel- oder Gleichstromeingang ist der Einsatz eines Netzimpedanzstabilisierungsnetzwerks (LISN) in der Eingangsleitung. Dieses dient dazu, Schwankungen der Versorgungsimpedanz zu isolieren, sodass die Messungen in unterschiedlichen elektrischen Umgebungen konsistent sind.
LISNs gibt es in verschiedenen Ausführungen, typischerweise als V- und Delta-Typen. Die Anordnung eines V-LISN ist in der Abbildung für den allgemeinen Fall dargestellt, bei dem die Masse des DC/DC-Wandlers entfernt ist, sodass das Rauschen sowohl in der positiven als auch in der negativen Leitung gemessen wird. Selbstverständlich kann der Eingang auch gar nicht geerdet sein, und wenn der DC/DC-Wandler isoliert ist, kann sein Ausgang in der praktischen Anwendung geerdet sein oder nicht, was einen wesentlichen Einfluss auf die gemessenen Pegel hat.
Darüber hinaus sind LISNs nicht einheitlich. CISPR 16-1-2 liefert Beispiele, doch ist nicht immer klar, welche für verschiedene DC/DC-Anwendungen zu verwenden sind. Wechselstrom-Eingangsgeräte nutzen üblicherweise LISNs mit 50-µH-Drosseln, während 5 µH bei DC/DC-Wandlern üblicher sind und insbesondere für EMV-Prüfungen im Automobilbereich (z. B. gemäß CISPR 25) vorgeschrieben werden.
Abbildung 1: Ein V-LISN mit typischen Werten, die bei DC/DC-Wandlern verwendet werden
An dieser Stelle müssen wir zwischen Gleichtakt- und Differenzialrauschen unterscheiden. Differenzialrauschen bezeichnet die Spannung (oder den Strom) zwischen den Eingangsleitungen, Gleichtaktrauschen die Spannung (oder den Strom) zwischen beiden (verbundenen) Eingangsleitungen und Masse. Bei einem DC/DC-Wandler ist Masse jedoch nicht immer eindeutig definiert. Bei einem AC/DC-Wandler liefert das V-LISN-Signal am Ausgang eine Spannung, die dem Gleichtaktwert plus der Hälfte des Differenzialrauschens entspricht. Das Delta-LISN hingegen trennt die Rauscharten für eine unabhängige Messung. Bei einem DC/DC-Wandler hängt der Wert davon ab, ob und wo Masse angeschlossen ist. Liegt die Masse an der Rückleitung des DC/DC-Wandler-Eingangs, tritt definitionsgemäß kein Gleichtaktrauschen am Eingang auf. Liegt die Masse vor dem LISN, ist der Messwert höher. Ist der DC/DC-Wandler isoliert und sein Ausgang geerdet, ist das gemessene Rauschen noch ungenauer. Typischerweise ist auf Systemebene das Differenzialrauschen des DC/DC-Wandlers relevant. Daher muss dieses unter Berücksichtigung der Masseposition aus der LISN-Messung extrahiert werden.
Normen wie CISPR 25 spezifizieren die Rauschmessung auch als Strom am Eingang des DC/DC-Wandlers. Dies ist potenziell nützlicher, da es – anders als bei Spannungsmessungen – keinen Referenzpunkt benötigt. Ein LISN (Linear Induktivity Network) ist jedoch weiterhin erforderlich, da der Strom von der Impedanz des dem DC/DC-Wandler vorgeschalteten Stromkreises abhängt. Bei DC/DC-Wandlern mit geringer Leistung wird das Eingangsrauschen häufig auf diese Weise spezifiziert, jedoch mit einer Serieninduktivität anstelle eines LISN. Der Wert der Induktivität wird von Hersteller zu Hersteller willkürlich festgelegt, und ihre Eigenresonanz, Induktivitätsvariation und ihr Widerstand sind nicht spezifiziert, was Vergleichsergebnisse unzuverlässig macht. Bei geringer Leistung wird der Rauschstrom üblicherweise nur als Effektivwert ohne spezifizierte Messbandbreite angegeben und ist typischerweise sehr klein, während die Spitzenwerte über ein breites Frequenzspektrum deutlich höher sein können, was die Aussagekraft der Messung weiter einschränkt.
Das leitungsgebundene Eingangsrauschen von DC/DC-Wandlern ist ein wichtiger Parameter und kann zu unregelmäßigem Systembetrieb führen. Daher sollte es gemessen und minimiert werden. Welches Rauschen akzeptabel ist, lässt sich jedoch nur systemspezifisch bestimmen. Vergleichsmessungen sollten daher mit identischer Erdung erfolgen und sind nicht repräsentativ für die im Endprodukt auftretenden Werte. Im schlimmsten Fall wird ein unnötig großer Filter gewählt, was die Stabilität des Wandlers beeinträchtigen und eigene Probleme wie Resonanzen mit Rauschspitzen und induzierte transiente Spannungen bei Lastsprüngen verursachen kann.
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