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EMC

Netzteil-Ripple-Filter

Berechnet LC-Filter-Dämpfung und Ausgangs-Ripple-Spannung für EMV-Filterung von Netzteilen.

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Formel

f₀ = 1/(2π√LC), A = −40·log₁₀(f/f₀) dB

Wie es funktioniert

Schaltgeräusche (Welligkeit) der Stromversorgung sind eine Hauptquelle für leitungsgebundene Emissionen. Ein einstufiger LC-Tiefpassfilter bietet eine Dämpfung von −40 dB/Dekade oberhalb seiner Eckfrequenz f= 1/ (2√Lc). Die Eckfrequenz, die erforderlich ist, um die Dämpfung A (dB) bei der Welligkeitsfrequenz f zu erreichen, ist f= f/10^ (A/40). Die Ausgangswelligkeitsspannung ist V_out = V_in × 10^ (A/20). Wenn die Einstellung von fdeutlich unter der Schaltfrequenz liegt (typischerweise f< f_sw/10), ist eine ausreichende Dämpfung gewährleistet. Dämpfungswiderstände können erforderlich sein, um Resonanzspitzen zu verhindern, die das Rauschen in der Nähe von f verstärken können. Für eine optimale Dämpfung sollte die charakteristische Impedanz Z = √ (L/C) in etwa der Lastimpedanz entsprechen.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein 100-kHz-SMPS erzeugt eine Eingangswelligkeit von 100 mV. Entwerfen Sie einen LC-Filter, um diesen Wert auf unter 1 mV zu reduzieren, indem Sie gleiche L- und C-Werte bei einer 50-Ω-Last verwenden. Lösung: 1. Erforderliche Dämpfung: A = 20·log( 100/1) = 40 dB 2. Erforderlich: f₂ = 100.000/10^ (40/40) = 100.000/10 = 10 kHz 3. LC-Produkt: LC = 1/ (2π × 10.000) ² = 1/ (3,948×10) = 2,53×10^¹ s² 4. Für Z♦ = 50 Ω: L/C = 2500; L = √ (2500 × 2,53×10^^¹) = √ (6,33×10) = 795 μH; C = LC/L = 3,18×10/795×10= 0,4 μF Ergebnis: Ein 795-μH-Induktor und ein 0,4-μF-Kondensator ergeben eine Eckfrequenz von 10 kHz und eine Dämpfung von 40 dB bei 100 kHz, wodurch die Welligkeit von 100 mV auf ≈ 1 mV reduziert wird.

Praktische Tipps

  • ✓Wählen Sie einen Ferritkerninduktor für den EMI-Filter (kein Luftkern), um eine bessere Hochfrequenzdämpfung und ein geringeres Risiko der Kernsättigung bei Gleichstrom zu erzielen.
  • ✓Verwenden Sie in schwierigen Fällen, in denen eine einzelne LC-Stufe nicht ausreicht, einen μ-Filter (Kondensator—Induktor—Kondensator), um −60 dB/Dekade zu erreichen.
  • ✓Platzieren Sie den Ausgangsfilterkondensator physisch in der Nähe der Last, nicht in der Nähe des Induktors, um die parasitäre Hochfrequenzinduktivität im Entkopplungspfad zu minimieren.

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung von Elektrolytkondensatoren — bei 100 kHz+ reduziert ihr hoher ESR die Dämpfung drastisch; verwenden Sie Folien- oder Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR-Wert für den LC-Filter.
  • ✗Filterresonanz ignorieren — ein leicht gedämpfter LC-Filter verstärkt das Rauschen bei f. Fügen Sie einen kleinen Dämpfungswiderstand in Reihe mit einem größeren Kondensator über dem Hauptfilterkondensator hinzu.
  • ✗Vernachlässigung des Gleichstromwiderstands des Induktors — ein hoher DCR verursacht unter Last einen Spannungsabfall; gleichen Sie DCR gegen Induktivität aus, um die erforderliche Welligkeitsdämpfung zu erzielen.

Häufig gestellte Fragen

Ein Ripple-Filter zielt auf die Schaltfrequenz und ihre Oberschwingungen auf der DC-Ausgangsschiene ab. Ein leitungsgebundener Emissionsfilter (Netzfilter) befindet sich auf der AC-Eingangsseite, um Geräusche zu unterdrücken, die an das Stromnetz zurückgekoppelt werden. Bei beiden handelt es sich um LC-Filter, die jedoch für unterschiedliche Impedanzen und Frequenzbereiche ausgelegt sind.
Der Induktor muss den maximalen Laststrom plus den Spitzenwelligkeitsstrom verarbeiten (normalerweise 20— 30% des Laststroms für gut konzipierte SMPS). Eine zu niedrige Nennleistung führt zu einer Sättigung und einem Verlust der Induktivität, wodurch der Filtereffekt aufgehoben wird.
Ein einzelner Kondensator bietet nur eine Dämpfung von −20 dB/Dekade, nicht −40 dB/Dekade. Für hohe Restwelligkeitsanforderungen (< 10 mV Ausgangsleistung) bei hohen Schaltfrequenzen ist in der Regel ein LC- oder sogar Δ-Filter erforderlich.

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