EP-Basics: Was ist Impedanz? Kondensatorauswahl für Schaltnetzteile – Teil 2

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Die Ein- und Ausgangskondensatoren von Schaltnetzteilen sind neben den Induktivitäten und den Leistungsschaltern essentielle Bauteile, die das Verhalten von Schaltnetzteilen maßgeblich bestimmen. Sie sollten dementsprechend sorgfältig dimensioniert werden. In Teil 1 ging es um den Rippelstrom, Teil 2 befasst sich mit der Impedanz.

Die Ein- und Ausgangskondensatoren von Schaltnetzteilen bestimmen neben den Induktivitäten und den Leistungsschaltern das Verhalten von Schaltnetzteilen maßgeblich. Nahezu der gesamte Wechselstromanteil, der durch die Schaltvorgänge in einem Schaltnetzteil entsteht, wird in den Ein-/Ausgangskondensatoren geführt. Dieser Umstand ist durch die Impedanzverhältnisse im Gesamtsystem (Netz-Schaltnetzteil-Last) bedingt. In Teil 1 wurde der Rippelstrom betrachtet, hier geht es nun um die Impedanz.

Impedanz: Durch die Auswahl eines Kondensators mit einer niedrigen Impedanz bei der Schaltfrequenz wird gewährleistet, dass der aus dem Wechselstromanteil resultierende Spannungsrippel niedrig bleibt. Der Spannungsrippel kann sich einerseits negativ auf die Schaltungsfunktion auswirken und ist andererseits indirekt durch die EMV-Normen vorgegeben.

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Kennt man den zugehörigen frequenzabhängigen Strom (Effektivwertspektrum) durch den Eingangskondensator, kann man auf Basis des ohmschen Gesetzes annähernd auf die im EMV-Labor bewerteten leitungsgeführten Gegentaktstörspannungspegel schließen.

Das mathematische Werkzeug, um den periodischen Kondensator-Stromverlauf in seine Frequenzanteile zu zerlegen, ist die Fourier-Analyse. Für die in Bild 1 verwendete vereinfachte Gleichung, die das Effektivwertspektrum beschreibt, wurde der periodische Stromverlauf durch den Eingangskondensator des Abwärtswandlers als Rechteck angenähert.

Die Beispielrechnung stützt sich auf die Werte, die in Teil 1 (Rippelstrom) berechnet und mit Hilfe von REDEXPERT ermittelt wurden. In der Regel ist es ausreichend, die erste Harmonische (=Schaltfrequenz) zu betrachten, da die Effektivwerte der Harmonischen mit steigender Frequenz im gleichen Maße abnehmen, wie die Impedanz des Kondensators mit steigender Frequenz maximal zunehmen kann (aufgrund des ESL).

Bild 2 zeigt das Effektivwertspektrum des tatsächlichen trapezförmigen Eingangskondensator-Stromverlaufs des Abwärtswandlers. Vergleicht man den auf der Rechteckapproximation basierenden berechneten Wert von 364 mA (Bild 1) mit dem in Bild 2 dargestellten Effektivwertspektrum, das auf dem trapezförmigen Verlauf beruht, so ist bei der Schaltfrequenz (500 kHz) nur eine geringe Abweichung festzustellen.

In der Regel werden die leitungsgeführten Störspannungen in einem EMV-Labor mit einer symmetrisch aufgebauten Netznachbildung (V-LISN) erfasst, wobei die Grenzwerte pro Kanal gelten. Durch die symmetrische Netznachbildung ergibt sich für den Spannungsrippel am Eingangskondensator ein 1:1-Spannungsteiler. Daher reduziert sich der erfasste Pegel von 72,4 dBµV um die Hälfte (–6 dB) auf 66,4 dBµV.

Auf Basis der Eingangskondensator-Impedanz aus REDEXPERT, der ermittelten Harmonischen des Effektivstroms und des ohmschen Gesetzes, lässt sich gemäß der Berechnungen in Bild 1 auf den emittierten Gegentaktstörspannungspegel (=Differential mode noise) eines DC/DC-Wandlers schließen, der in diesem Beispiel bei 72,4 dBµV (66,4 dBµV bei Betrachtung der Messmethodik) für die Schaltfrequenz liegt. Orientiert man sich beispielsweise am Klasse-B-Grenzwert von 46 dBµV @ 500 kHz (Mittelwertdetektor) der EN55032, der für Multimediageräte im Heimbereich gilt, so wird schnell klar, dass ein zusätzlicher LC-Filter benötigt wird. Dieser sollte den Störspannungspegel um mindestens 30,4 dB @ 500 kHz reduzieren, sodass man letztendlich sicher 10 dB unter dem Grenzwert liegt. (kr)

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* Markus Thoss ist Applikationsingenieur bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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