WÜRTH ELEKTRONIK EISOS GMBH & CO. KG ...alt.ife.tugraz.at/Elektronik/Winkler/EMV_Fachtagung_2009/...Würth Elektronik eiSos © 2009 Lorandt Fölkel 1 WÜRTH ELEKTRONIK EISOS GMBH

Würth Elektronik eiSos © 2009 Lorandt Fölkel

1

WÜRTH ELEKTRONIK EISOS GMBH & CO. KG

2009

ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ & EMV PRAXIS 2009

Referent: Lorandt Fölkel

[email protected]


2Index

• Magnetfelder & Induktion

• Kernmaterialien

• Die Induktivität

• Wichtige Parameter

• Simulation mit LTspice

• Surge protection und ESD

• Messung mit Spektrumanalyser

• EMV

• Die Praxis


3

Surge prot. & ESD Magnetfelder Kernmaterial Die Induktivität Wicht. Parameter EMV Simulation Praxis


4



5




• atmosphärische Entladungen

• « industriebedingte» Entladungen

• elektrostatische Entladungen

Überspannungen: Herkunft



Atmosphärisch bedingt : Blitz

V Direkte Einwirkungen (Brände…)

V Phänomen der indirekten Einwirkung durch Leitungseinkopplung

Man hat eine gewisse Unsicherheit über die Größenordnung der eingekoppelten Energie

Atmosphärisch bedingte Überspannungen



« industriebedingte » Überspannungen

Schaltvorgänge mit Kapazitäten oder Induktivitäten:

V Transformatoren,

V Motoren,

V Relais,

V Schweißgeräte,

V Erodiergeräte…

- wirkt selten zerstörerisch,

tritt aber wiederholt auf

- verursacht hochfrequente

(transiente) Leitungsstörungen

„Industriebedingte“ Überspannungen



Elektrostatische Entladungen

Elektrostatische Ladungen werden durch Ionisierung von Materialien(z.B. durch Reibung) erzeugt.

Entladungen zwischen Materialien (in der Produktion)

V Kontaktentladung (durch den Menschen)

führt zur Schwächung oder Zerstörung der Bauteile, häufig auch zu Fehlfunktionen.

Überspannungen durch elektrostatische Entladungen



Bauteile:

Gasableiter(Trisil)

Varistor(Disk)

Diode(Suppressor-Diode,Transil)wie Zener-Diode mit höhererStrombelastbarkeit

Überspannung durch schnelle Transienten

Überspannung durch zu hohe Gesamtenergie

Zündung

Kurzschluss

Vergleich von Überspannungsableitern

?


11


Begriffe & Abgrenzung

• Varistor: Bauteil gegen Überspannungen

• TVS: Transient Voltage SuppressorĄ alle Bauteile zum Abfangen von ÜberspannungenĄ meist verwendet für niederkapazitive Typen Ą ESD-Varistoren

• ESD-Suppressor: Bauteil gegen Überspannungen auf DatenleitungenĄ niedrige & spezifizierte Kapazität


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Überblick

ILeakage IWithstandingLoad

Load

VaristorĄ Das Überdruck-Ventil in der elektrischen Schaltung

Normaler Arbeitszustand Überspannungszustand


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Bauteilauswahl:

• Max. Betriebsspannung sollte 15-20% größer sein als die Betriebsspannung der Anwendung

• Baugröße des Varistors wird durch den maximal Strom bestimmtČ grobe Abschätzung über den Nennstrom

• Max. Spannungsabfall muss kleiner sein als die Spannungsfestigkeit des beschützten StromkreisesČ max. Spannungabfall steigt mit max. BetriebsspannungĄ physikalische Gesetzmäßigkeit

Wie wird der Varistor ausgewählt?


14


Auswahl der Betriebsspannungm

ax. Betriebsspannung

des Varistors

Betriebsspannungder A

pplikationToleranz &Sicherheit

max. Strom


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Physikalischer Ablauf beim Varistor

• Varistor besteht aus ZnO-Körner, mit einem Korndurchmesser von 10 – 100 µm

• Ein Varistor ist eine Reihen- und Parallelschaltung vieler kleiner Mikrovaristoren

• Doppelte Scheibendicke ergibt doppelte Spannung

• Doppelter Scheibenquerschnitt ergibt doppeltes Ableitvermögen

Bei jedem Stromstoß verschmelzen einzelne Körner miteinanderĄ AlterungĄ Varistorspannung sinkt

3,5V

100µA

V

I

Microvaristor


16


Zulässiger Spitzenstrom - Derating

Pulse Lifetime Derating



Schutzmaßnahmen bei Niederspannungen und Signalleitungen

Achtung! Einsatz bei Netzspannung gegen Erde nur mit zusätzlichen Sicherungen erlaubt!

Varistoren: Anwendungen



Schutz bei Schaltvorgängen

Der Varistor soll hier nur jeweils ein Bauteil der Schaltung schützen. Zu genau diesem ist er parallel geschaltet!


Schutz eines Thyristors / Gleichrichters Schutz eines Triac / Gleichrichters Alarmanlage

Schutz eines Relais Schutz einer Ansteuerung Schutz eines Halbleiters



Schutz von Spulen und Schaltkontakten


Schutz einer Spule Schutz der Kontakte Doppelte Absicherung

Elektrischer Schaltkreis


20


Testverfahren

• HBM: Human Body Model• MM: Machine Model• CDM: Charge Device Model• FCDM: Field Induced Charge Device Model

Human Body Model

Air DischargePrüfspitze wird an Bauteil hinbewegt

Contact DischargePrüfspitze liegt am Bauteil an


21


Test gemäß IEC 61000-4-2


22


WE-TVS kurz gesagt

WE-TVS schützt Datenleitungen gegen ESD Zerstörung

Transient ClampedTransient

Load

+

-

TVSTransient

Current

time

normal operatingvoltage VDC

systemmalfunctionthreshold

TransientPeak

VDC WithstandVoltage


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richtiges Design von Varistoren

Stecker PCB

VDR

Stecker PCB

VDR

Haupt PCB Haupt PCB

Falsch Richtig

Wie sieht die richtige / perfekte Lösung aus ???


24



Stecker PCB

VDR

Haupt PCB

PerfektSchirmung


25



zum Stecker VDR GND

Leiterbahnen

PCB


26


USB Double Port

824015


27


Designhinweise

schlecht besser optimal

VDD

GND

824115

6 5 4

1 2 3


28


Applikation auf PC-Mainboard

They are mounted close to connectors & antennas

VGADVI

Audio LANintegr.


29


Überblick

WE-VDDisk Varistors

WE-VSSMD Varistors

WE-VEESD Suppressors

WE-VE ULC / femtoFESD Suppressors

WE-TVSTVS Diode Arrays

WE-VEAESD Suppressor Arrays

DatenleitungenESD Schutz

StromversorgungSurge Schutz


30

MAGNET FELDER


31


Was ist eine Induktivität? Was ist eine Spule?

…technisch gesehen:Ą ein Stück Draht um einen (festen) Körper gewickelt

Anwendung als:

Spule = Induktivität

• Filterelement

• (Kurzzeit-) Energiespeicher

Unterschied zwischen Spule und Induktivität?

(viele untersch. Bauformen) (eine Induktivität)


32


Das Magnetfeld – magnetische Feldstärke

jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld

Feldlinienmodell

Strom I

Magnetfeld H


33



Feldlinienmodell

Magnetfeld H

Strom I

NORD

SÜD

Magnetfeld H

Strom I


34



RIHÖÖ

=p2

RINHÖÖÖ

=p2

lINH Ö

=

langer Draht

Ringkern

l

R

R

Stabkern

Die magnetische Feldstärke ist abhängig von:

• Geometrie

• Windungszahl

• Stromstärke

und

NICHT VOM MATERIAL


35



averageRIHHHÖÖ

===p221

1B 2B?=

¸

Strom I

averageR

1H2H

averageR


36

KERNMATERIAL


38


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,01 0,1 1 10 100 1000

Kernmaterial – Induktivität (Speicher)

f/MHz

XL(NiZn)XL(MnZn)XL(Fe)

Impe

danz

„0“-400kHz „0“-10MHz „0“-40MHz


39


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,01 0,1 1 10 100 1000

Kernmaterial – Drossel (Filter)

f/MHz

R (NiZn)R (MnZn)R (Fe)

Impe

danz

200kHz-4MHz

3-60MHz 20-2000MHz


40


Luftµr = 1B

H-H

-B

Kernmaterial – Einfügen eines Luftspaltes


41


• WE-PD Serie

• Reduktion der Empfindlichkeit gegen DC-BIAS

Kernmaterial – Einfügen eines Luftspaltes

• Erhöhung des Sättigungsstromes

• Verringerung des magnetischen Streufeldes

ABER:• Verringerung der Permeabilität

Ą mehr Windungen für selbe Induktivitätbei selbem Kernmaterialund selber Kerngröße


42


geschirmt ungeschirmt

kleineres leff größeres leff

• Einfluss des Luftspalts

Kernmaterial – Streufeld


43


Kernmaterial – Materialeinsatzgebiete

Elektromagnetische Entstörung Speicherdrosseln


44


Induktivität vs. Strom

Inductance vs. Current (typ.)

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

0 2 4 6 8 10 12 14

Current (A)

L (µ

H)

WE-SI

WE-PD

WE-SD

WE-HCA


45

DIE INDUKTIVITÄT


46


ü Induktivitätswert – wähle Normwerte !

( )fIU

UUULoutin

outoutin

ÖÖÖÖ-

=3,0

Induktivitätswert beim Abwärtsregler ( Buck)

Ripple-Current factor (0.2 ~ 0.5)

Beeinflusst die Č Kernverluste

=> Berechneter Wert ist nur ein Ausgangswertfür weitere Bsp. Berechnug = 21,167µH

Č wähle 18, 22, 27 µH

24V12V

2A500KHz


47


Berechnung

( )

)(kHzAVV

VVVVL

fUU

IUUU

outDin

Doutout

50023,0)7,024()7,012(1224

3,0))(

L(Uin

ÖÖÖ++Ö-

=

ÖÖÖ+

+Ö-=

L= 20,567 µHAuswahl: 18µH; 22µH; 27µH

Welche können wir anbieten, wenn die kleinste Bauform gesucht wird ?


48


Berechnung

Ist die WE-TPC „XLH“ 744066220 möglich?

Inenn= 2,5A Isat = 2,3A

Schaltungsdaten:f= 500kHzUin = 24VUout= 12VIout = 2A Rippel = 30%

AAI

II RippeloutPeak 3,2

26,02

2=+=+=

gerade noch möglich, oder ?


49


Induktivität – Ripplestrom

Vergleich unterschiedl. Induktivitäten

0A

1,0A

2,0A

0µs 0,5µs 1,0µs 1,5µs 2,0µs

Ripplebereich20-50%

33µH

56µH AI peak 3,0=D

steigender Ripple steigende Verluste


50


Berechnung

Bauteiltoleranz: 744066220 +/- 30%

28,6 µHalso bei 22µH (6,6µH)

15,4 µH

Kleinere Induktivität, größerer Rippelstrom !


51


Berechnung

der Einfluss der Induktivitätstoleranz auf den Rippelstrom:

AµHkHzVV

VVVVI

LfUUUUUUI

Rippel

swDin

DiodeoutoutinRippel

801,04,15500)7,024(

)7,012()1224()(

)()(

=ÖÖ++Ö-

=

ÖÖ++Ö-

=


52


Berechnung

Peakstrom: wichtige Kontrolle!

AAI

II RippeloutPeak 40,2

2801,02

2=+=+=

Die WE-TPC Reihe hat eine „harte Sättigung. Bei 2,4A ist die Drossel nur noch bei ca. 50% ihrer Induktivität. Somit ist sie für diese Anwendungnicht geeignet!


53


Datenblattauszug 744066220


54


Weitere Auswahl

Wir suchen eine Drossel, die bei ca. 3A noch nicht in Sättigung ist.

AAII outPeak 325,15,1 =Ö=Ö=

WE-PD L744771118 Isat= 4,30A744771122 Isat= 3,37A744771127 Isat= 2,97A


55

EMV


56


EMV - Kopplungsmechanismen

…auch als Inter- oder Intrasystembeeinflussung bezeichnet

• ausreichende EMV lässt sich meist durch geeignete Maßnahmen an Sender, Pfad oder Empfänger erreichen

ĄPrimärmaßnahme

…Anstrebung einer geringen Emission des Senders

ĄSekundärmaßnahme

… Unterbrechung der Kopplungsmechanismen

ĄTertiärmaßnahme

… Störfestigkeit erhöhen des Empfängers

Störquelle Störsenke

Kopplungsweg


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Was ist Frequenz?

• Abhängigkeit Wellenlänge - Frequenz

300

100

10

1

0,1

1 3 10 30 100 300 1000 3000

0,05

0,03

0,3

3

30

10000

mel

ÖÖ==

fc

fc 0

[ ]ml

[ ]MHzf

ssm

Ö³ÖÖ³

= 9

8

104,2103l

m125,0=l

Beispiel: für WLAN 2,4GHz

cm125,34/ =l


59


Strukturierte Entstörung

• Erkennen der Störstromart• Gleichtaktstörstrom• Gegentaktstörstrom


60


Symmetrische Filter – Beispiel: Flyback-Converter

Was passiert im Störfall?

L1

N

PE

ĄKriechströme über Parasitär- / Koppelkapazitäten

Bsp.: Kollektoranschluss - Kühlkörper


61


Herkömmliche Netzfilter

• Abhilfe – Ergänzung für Entstörungen ab ~ 30 MHz

Schalt-

netzteil

N

PE

L1

Standard - Netzfilter

WE-LF744 612 002 7

WE-CMB744 821 039

WE-FC744 864 040 4

CY2

CY1CX1

RX

CY3220pF-1nF

L1

L1

L2

L3

6-Loch-Ferritperle ( I<3 bzw. 5A )742 750 1 – 742 750 46

Hülsendrosseln ( I<1A )742 760 3 – 742 760 6

Stabkerndrosseln ( I >= 30A )744 710 1 – 744 716 0

CY4220pF-1nF


62


Stromkompensierte Drossel - Signaltheorie

Reduzierung der Störungen

• sowohl vom Gerät nach außen

• als auch von der Umwelt ins Gerät

FAZIT:

• „keine“ Beeinflussung des Nutzsignals

• hohe Dämpfung des Störsignals

Ą Gegentakt

Ą Gleichtakt


63


SenkeQuelle

Einfügedämpfung - Definition

• Logarithmisches Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung

• beschreibt die Abschwächung eines Signals über einemdefinierten Signalweg

Ą Signalweg: z.B. SMD-Ferrit, MicroStrip-Line, LPF, ….

ZA ZF

ZBU1U0 U2

z.B. Übertragungsmedium

öö÷

õææç

å=

out

inF P

PZ log10


64



• Impedanz

Mathematische Beschreibung

BA

BFA

ZZZZZA

+++

Ö= log20

SenkeQuelle

ZA ZF

ZBU1U0 U2

e.g. Übertragungsmedium

• Gesamtsystemdämpfung

( ) ( )BABA

A

F ZZZZZ +-ùú

øéê

è+Ö= 2010

)(dBin

)(Win


65



• Praktikable Quellen- und Senkenimpedanzen

Ą MasseebeneĄ SpannungsversorgungĄ Video- /Clock- /DatenleitungenĄ lange Datenleitungen

SenkeQuelle e.g. Übertragungsmedium

Die reale Welt - Ersatzschaltbild

1 … 2 Ý10 … 20 Ý50 … 90 Ý90 … >150 Ý


66


( ) ( )BABA

A

F ZZZZZ +-ùú

øéê

è+Ö= 2010

Einfügedämpfung - Beispiel

• Systemimpedanz = 10

Ą Anwendung: Spannungsversorgung

Ą 20dB @ 200 MHz

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

Impedanz des Ferrites [Ý]

Däm

pfun

g [d

B]

1 Ohm10 Ohm50 Ohm

180

ĄKatalog: WE-CBF 742 792 61


67



WE-CBF 742 792 61 CH1 |Z|CH2 XLCH3 R

1

10

100

1000

1 10 100 1000Frequenz / frequency [MHz]

Impe

danz

/ im

peda

nce

[Ohm

]

Z XL R

IF BW 10kHz POWER 0 dBm SWP134,5 msecSTART 1 MHz STOP 1,8 GHz

typischer Impedanzverlauf /typical Impedance curve

200

200MHz


68



• Kontrolle

Ą Messung des Spektrums & Vergleich der Dämpfung

0

10

20

30

40

50

60

Level [dBµV/m]

30M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G

Frequency [Hz]


69



Ą falsche Annahme der SystemimpedanzĄ Möglichkeit der Verringerung der Impedanz des Ferrites

• Möglichkeit 1: Dämpfung zu hoch

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Däm

pfun

g [d

B]

1 Ohm10 Ohm50 Ohm

40dB


70



Ą falsche Annahme der SystemimpedanzĄ Impedanz des Ferrites muss erhöht werden (ZF~900 )

• Möglichkeit 2: Dämpfung zu niedrig

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Däm

pfun

g [d

B]

1 Ohm10 Ohm50 Ohm

8dB


71

SIMULATION


72


Simulation – LTSpice

• praxisnahe Simulation mit „realen“ Bauteilen


73


LTspice - Simulation


74

DIE PRAXIS


75


Streufeld Induktivität - geschirmt vs. ungeschirmt


76


unshielded shielded

Streufeld Induktivität - geschirmt vs. ungeschirmt


77


EMI: Conducted Emission ohne filter

LT3481EMSE Demo Board24V to 3.3V @2A fsw=800kHzCEM 0.15 – 30 MHz

Test without EMC filter:Peak 82dBµV 26dB above limit

Grundlagen Kernmaterial Die Induktivität Verluste Parameter Simulation EMV


78


EMI: Conducted Emission mit filter

Ferrite bead High ESR Elcoto damp cable

Test with additional L=10uH,C=3.3uF 50V 1210 input filter

Peak=42dBµV/mÅ=32dBµV/m

Peak & Å 14dB below limit


79


ACAP: As Close As Possible


80


Demo Boards für Filter Applikationen

P/N::EP-CBF-0805Ą SMD Ferrit 0805EP-CBF-1206Ą SMD Ferrit 1206EP-STROKO ĄWE-SLxy… Series common mode SMD chokesSet 12 pcs. Ą Price 20,- € including P&P


81


TRILOGIE DER INDUKTIVEN BAUELEMENTE

• 1. Grundlagen

Ą elektronisches Basiswissen

• 2. Bauelemente

Ą Bauelemente und ihre speziellen Eigenschaften

• 3. Filterschaltungen

Ą Prinzip/Funktionsweise/Aufbau von Filterung

• 4. Anwendungen

Ą konkrete Beispiele auf über 300 Seiten

• Ergänzung zum Vortrag


82Mehr Infos auch online:

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83SO ERREICHEN SIE UNS:

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Unsere Distributionspartner für übrige Europa RS Components/

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85Auswirkungen – Wer freut sich am meisten….

• …wenn, die Applikation sehr effizient ist ?

DER ENTWICKLER

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