Maßnahmen zur Reduktion der Gleichtaktstörung eines Schaltnetzteils

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-03-23
Issue Year
2014
Authors
Stahl, Juergen
Editor
Abstract

Electromagnetic compatibility becomes increasingly important due to the rising number of switch-mode power supplies. Both the common mode noise and the differential mode noise these gadgets produce have to be reduced in order to fulfill regulations. However, it is especially challenging to reduce the common mode noise with as little effort, complexity and cost as possible. In an effort to tackle this problem, this dissertation deals with the reduction of conducted common mode noise in switch-mode power supplies. The introductory chapter deals with the basics regarding electromagnetic compatibility. The terminologies and the classification of disturbances are explained, and methods that prevent electromagnetic interferences are mentioned. Two different notebook adapters consisting of two power stages are built up and used exemplarily for the investigation of different common mode filter strategies. A boost converter forms the first power stage, and the second power stage is either formed by a flyback or an LLC converter that consists of three resonant elements. All three converter topologies including the creation of common mode noise are explained shortly. In a next step, different methods are investigated to keep the common mode noise of the power converters within regulations. The most common way to reduce the conducted noise is to apply a conventional passive mains filter at the input of the power adapters. Such mains filters are also designed for each of the two notebook adapters. With regards to the size of the filter and their power losses, there are compensation methods that are promising alternatives to conventional passive common mode filters. This compensation can be done in either a passive or an active manner, though the active manner proves more promising. A detailed investigation of the passive compensation applied to the boost and the flyback reveals that it is indeed an easy and effective method to reduce common mode noise. Nevertheless, this is only the case when the passive compensation is well designed. In any case, when the component values mismatch the optimal values, the attenuation drops rapidly with no possibility to automatically adapt any value to counteract a mismatch. As a consequence, this passive filter method is not attractive. Considering the active compensation, a feedforward control as well as a servo control is considered and a thorough investigation is carried out. The same challenges nevertheless arise and the attenuation drops rapidly in case of a mismatch in the compensation capacitor. In the case of the active compensation however, an automatic adaption of the internal gain or the compensation voltage is possible in order to counteract the mismatch. For this purpose, it is necessary to detect the common mode noise. This detection is a non-trivial task that can be nonetheless solved by circuits designed for their sensing, which are also presented in this work. The active filters are then applied to the different converters for verification and evaluation. Moreover, a test circuit for the characterization of the active filter using feedforward control is designed in order to be able to examine and check it independently without a switch-mode power supply. The theoretical investigations as well as the practical verifications show that the proposed active filters are feasible for the reduction of common mode noise, and an application to notebook adapters is possible. For all three topologies, the conducted common mode noise can be reduced to below regulations by a combination of the proposed active filters and a passive filter without the need for a common mode choke. Hence, for some applications, a smaller and more efficient overall filter might be feasible, therefore justifying the detailed analysis of the active compensation method.

Abstract

Aufgrund des Vormarschs getakteter Netzteile gewinnt die elektromagnetische Verträglichkeit zunehmend an Bedeutung. Insbesondere die in getakteten Netzteilen entstehenden Gleichtaktstörungen mit einem möglichst geringen Aufwand zu reduzieren, stellt Entwickler vor Herausforderungen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich diese Arbeit mit Maßnahmen zur Reduktion der leitungsgebundenen Gleichtaktstörungen eines Schaltnetzteils. Zu Beginn werden Grundlagen der elektromagnetischen Verträglichkeit erläutert. Es wird dabei unter anderem auf die Begrifflichkeiten, die Unterteilung der auftretenden Störungen sowie prinzipielle Entstörmöglichkeiten eingegangen. Als Anwendungsbeispiel kommt ein zweistufiges Stromversorgungsgerät für einen Laptop zum Einsatz. Die Eingangsstufe bildet dabei der Boost und die zweite Stufe ist entweder der Flyback oder der aus drei Resonanzelementen bestehende LLC-Konverter, so dass insgesamt die Gleichtaktstörungen von drei Konvertern zu betrachten sind. Die in der Praxis gängigste Art und Weise zur Reduktion der leitungsgebundenen Störungen ist die Filterung mittels eines konventionellen passiven Filters bestehend aus Spulen und Kondensatoren. Bevor jedoch die Auslegung eines solchen Filters für die beiden Adapter, bestehend aus Boost und Flyback sowie Boost und LLC stattfindet, werden zunächst die drei zur Anwendung kommenden Netzteiltopologien und die Erzeugung von Gleichtaktstörungen kurz erläutert. Zur Reduktion des Filtervolumens und der Verluste im Filter lassen sich als vielversprechende Alternative zur Reduktion der Gleichtaktstörungen Kompensationsmethoden finden. Hierbei gibt es die passive sowie die aktive Kompensation, die beide in dieser Arbeit betrachtet werden. Eine detaillierte Untersuchung der passiven Kompensation am Boost und Flyback zeigt, dass die passive Kompensation eine sehr einfache und bei richtiger Auslegung der Komponenten auch sehr wirksame Methode zur Reduktion der erzeugten Gleichtaktstörungen ist. Jedoch sinkt die garantierte Filterdämpfung drastisch bei Abweichungen der Werte der Komponenten von ihrem optimalen Wert. Da zudem keinerlei Eingriffsmöglichkeiten zur Korrektur vorhanden sind, ist diese Filtermethode häufig unattraktiv. Neben der passiven Kompensation ist auch eine aktive Kompensation möglich. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen die aktive Kompensation durch Störgrößenaufschaltung und die aktive Kompensation durch Vorsteuerung betrachtet werden. Eine detaillierte Untersuchung zeigt, dass sich bei beiden Methoden das gleiche Problem wie bei der passiven Kompensation ergibt und die erreichbare Dämpfung drastisch mit einer Fehlanpassung des Kompensationskondensators sinkt. Allerdings gibt es bei der aktiven Kompensation eine Eingriffsmöglichkeit. So kann beispielsweise die Verstärkung oder die Kompensationsspannung angepasst werden und damit eine Fehlanpassung korrigiert werden. Hierzu ist es nötig die auftretende Gleichtaktstörung zu detektieren. Da jedoch die Detektion der Gleichtaktstörungen keineswegs trivial ist, sind Schaltungen angegeben, die eine Ermittlung der vorhandenen Störungen ermöglichen. Zur Verifikation und zur Beurteilung der aktiven Filter kommen diese bei den verschiedenen Konvertern zum Einsatz. Zusätzlich wird eine Messschaltung zur Charakterisierung des aktiven Filters durch Störgrößenaufschaltung vorgestellt, um eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, aktive Filter zu überprüfen. Die theoretischen Untersuchungen zeigen zusammen mit den praktischen Verifikationen, dass die vorgestellten aktiven Filter zur Reduktion der Gleichtaktstörungen machbar sind und beispielsweise in Laptopadaptern zum Einsatz kommen können. Da es bei den exemplarisch verwendeten Topologien möglich ist die Gleichtaktdrossel zu eliminieren, kann sich je nach Anwendung evtl. eine Volumeneinsparung und ein Effizienzgewinn ergeben, was die detaillierte Betrachtung der aktiven Kompensation rechtfertigt.

DOI
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