Gleichtaktfilter für die Stromversorgungsleitungen in Kraftfahrzeugen

Grundstruktur der Gleichstrom-Eingangsfilterkreise

Die Filterkonfiguration eines Gleichstrom-Eingangsfilterkreises wird stark von der Art und Weise beeinflusst, wie der Erdungsanschluss auf der Platine angebracht ist, und in Abhängigkeit von der zu dämpfenden Bandbreite und vom Ausbreitungsweg des Rauschens sind geeignete Komponenten zu verwenden. Bei der ersten Auslegungsstufe der EMI-Gegenmaßnahmen ist es wünschenswert, eine Musterkonfiguration zu haben, die die Bestückung mit Induktorspulen (L), Kondensatoren (C) und Filtern (CMF) ermöglicht.

Normalmodusrauschen (Differenzrauschen) und Gleichtaktrauschen

Es gibt zwei Arten des Leitungsrauschens: Normalmodusrauschen (Differenzrauschen) und Gleichtaktrauschen. Das Normalmodusrauschen tritt in der Schaltungsleitung auf und fließt in die entgegengesetzte Richtung, während das Gleichtaktrauschen zwischen der Schaltungsleitung und der Erdung auftritt und in die gleiche Richtung fließt. Bei der Umsetzung der Gegenmaßnahmen gegen das Rauschen muss darauf geachtet werden, welche Art des Rauschens auftritt und welche Komponenten für die Gegenmaßnahmen zu verwenden sind.
Für das Normalmodusrauschen werden Induktorspulen und Kondensatoren verwendet, und für das Gleichtaktrauschen werden Gleichtaktfilter verwendet.

Normalmodus

Rauschen, das in den Leitungen des Stromkreises fließt
(fließt in die entgegengesetzte Richtung wie die Leitung)

Abbildung 4

Gleichtaktmodus

Rauschen, das in der Schutzerde des Rahmens fließt
(fließt in die gleiche Richtung wie die Leitung)

Abbildung 5

Trends bei den DC/DC-Wandlern für die Steuergeräte in Kraftfahrzeugen

Da mehr elektronische Geräte in Kraftfahrzeugen verwendet werden, werden mehr Steuergeräte eingebaut, und es sind Gegenmaßnahmen gegen das Gleichtaktrauschen erforderlich. Gegenwärtig verwenden die DC/DC-Wandler für die Steuergeräte in Kraftfahrzeugen die 2-MHz-Frequenz als Schaltfrequenz, um dem AM-Band auszuweichen, sodass die Gegenmaßnahmen gegen das hochfrequente Rauschen eine wichtige Rolle spielen.

Änderung des Rauschens, wenn die Schaltfrequenz 2 MHz beträgt

Bedingungen: Eingang 5 V, Ausgang 1,2 V/2 A, kein Eingangsfilter
Wenn die Schaltfrequenz 2 MHz beträgt, liegt die Grundwelle im AM-Band oder höher und das Rauschen im FM-Band erhöht sich.

Abbildung 7: Schaltfrequenz 400 kHz

Abbildung 8: Schaltfrequenz 2 MHz

Die Standardwerte nach CISPR 25 Level 5 (Spitze) werden als Referenz angegeben.

Faktoren, die das Rauschen im FM-Band verstärken

Faktoren, die das Rauschen im FM-Band verstärken, sind der Anstieg der Einschaltgeschwindigkeit und der Anstieg des hochfrequenten Bereiches. Der hochfrequente Bereich ist aufgrund der parasitären Kapazität der Schutzerde des Rahmens anfälliger für den Verlust des Gleichtaktstroms.

Abbildung 9

Abbildung 10: Trapezwellenspektrum

Abbildung 11

Es ist schwierig, das Gleichtaktrauschen vorherzusagen, da die Streukapazität stark von der Art und Weise abhängig ist, wie die Erdung angeschlossen ist, jedoch dienen die Gleichtaktfilter der Vermeidung des Gleichtaktrauschens.

Angenommen, ein Stromrauschen von 1 µA fließt in einem Kabel mit einem Schleifenbereich von 20 cm2 mit einer Frequenz von 80 MHz. Bei einem Abstand von 1 m betragen die Werte für die elektrische Feldstärke:

ED＝ 0.084μV/m
EC＝9μV/m

Auch bei gleichem Stromwert ist der Effekt des Gleichtaktstroms größer
(etwa 100-mal größer im obigen Beispiel)

Die Höhe der abgestrahlten Emissionen in jedem Modus kann mit der folgenden Formel bestimmt werden.
Differenzstrom: ID
Gleichtaktstrom: IC
Leitungslänge: L
Zeilenaustastintervall: s
Abstand: d

Eigenschaften der Gleichtaktfilter von TDK für die Stromversorgungsleitungen in Kraftfahrzeugen und Produktpalette

TDK erweitert seine Angebotspalette an Filtern, die mit verschiedenen Arten von Gleichstromleitungen mit einer maximalen Stromstärke von 8 A kompatibel sind. Diese Produkte bieten eine hohe Impedanz über eine hohe Bandbreite und einen Betriebstemperaturbereich Ta (Umgebungstemperatur) von -40 bis 125 °C.

Punkt			Gleichtakt-Impedanz (bei 100 MHz)		Gleichstromwiderstand	Nennstrom	Nennspannung	Isolationswiderstand
			(Ω) min.	(Ω) typ.	(mΩ) max.	(A) max.	(V) max.	(MΩ) max.
	ACT32P-102-2P-TL00	3.2x2.5x2.5	-	1000	250	0.65	80	10
	ACM55V-701-2PL-TL00(in Entwicklung)	5.5x5.5x3.5	-	700	-	3.0	80
	ACM70V-701-2PL-TL00	7.0x6.0x3.5	500	700	15	4.0
	ACM90V-701-2PL-TL00	9.0x7.0x4.5	500	700	10	5.0
	ACM90V-152-2PL-TL00		1100	1500	16	3.6
	ACM12V-701-2PL-TL00	12.0x11.0x6.0	500	700	6	8.0
	ACM12V-172-2PL-TL00		1200	1700	12	4.8

Tabelle 1

Hohe Bandbreite und hohe Rauschunterdrückung

Weist eine hohe Gleichtakt-Impedanz in typischen Bändern wie zum Beispiel dem FM-Band und dem Mobilfunkband auf.

Low-Profile-Bauform

Die Low-Profile-Bauform weist max. 3,5 mm auf, was ideal für Steuergeräte mit Low-Profile-Bauform ist, die eine Abschirmung benötigen.

Zusammenfassung

Durch die höheren Betriebsfrequenzen der DC/DC-Wandler spielt die Rauschunterdrückung im FM-Band eine wichtige Rolle. Der Schlüssel der EMI-Gegenmaßnahmen ist die Trennung des Normalmodus vom Gleichtaktmodus, und das im Gleichtaktmodus verursachte Rauschen wird vorrangig durch die Muster- und Ebenenkonfiguration und die Art und Weise beeinflusst, wie die Erdung angeordnet ist. Die Gleichtaktfilter dienen dazu, das Gleichtaktrauschen zu vermeiden. Wie in der Abbildung unten dargestellt, verringert ein Normalmodusfilter allein das Rauschen bei 50 MHz und höher nicht, aber wenn ein Gleichtaktfilter verwendet wird, kann das Rauschen bei 50 MHz und höher verringert werden.
In Fällen, in denen elektromagnetische Störungen aufgrund des Gleichtaktrauschens ein Problem darstellen, kann ein Gleichtaktfilter eine effektive Gegenmaßnahme darstellen, aber das Hinzufügen eines Gleichtaktfilters in einer späteren Phase erfordert eine Änderung der gesamten Anordnung, daher wird empfohlen, während der Designphase einen Aufbau vorzusehen, der die Installation eines Filters zulässt.

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