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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Input-Filter für Abwärtswandler mit Ferritperle


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Autor: Beadnoob (Gast)
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Hallo,

ich habe vor einen Abwärtswandler zu entwerfen. Eingangsspannung 24V 
Batterie, Ausgang 3.3V. Meine Schaltung ist in der Abbildung 1 zu sehen. 
Datenblatt zum Wandler: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2841.pdf

Nun habe ich an entsprechende Filtermaßnahmen gedacht und bin auf die 
Methode mit einer Ferritperle am Eingang gestoßen. LC-Filter fliegt aus 
Platzgründen raus. Die Idee habe ich aus folgender Seite: 
https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN045

Auf Figure 12 sieht man, dass parallel zur Ferritperle noch ein 
Kondensator mit 10µF geschaltet ist.

Meine Fragen:

1. Soll das einen Tiefpass bilden, wenn hohe Frequenzen auftreten und 
die Perle hochohmig wird?

2. Wie bestimme ich in meinem Anwendungsfall die Ferritperle bzw. den 
Filter?

Vielen Dank

Autor: Mike (Gast)
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Hallo

Beadnoob schrieb:
> Auf Figure 12 sieht man, dass parallel zur Ferritperle noch ein
> Kondensator mit 10µF geschaltet ist.

Du meinst aber nicht parallel, es ist eher ein Pi-Glied. Also 10µF am 
Eingang, dann der Ferrit und dann wieder 10µF.

Beadnoob schrieb:
> 1. Soll das einen Tiefpass bilden, wenn hohe Frequenzen auftreten und
> die Perle hochohmig wird?

Es ist kein wirklicher Tiefpass. Die Ferrite haben eine andere Impedanz 
zu Frequenz Kennlinie.
Ich verwende Ferrite von Würth. z.B.74279205
Wennst du das Datenblatt von diesen Ferrit anschaust, findest du die 
typical Impedance Characteristics. Die hat ein Impedanz-maximum bei 
150Mhz und wird bei kleinerer und größerer Frequenz weniger.
Einschaltregler produziert, aufgrund seiner Schaltfrequenz immer 
Transienten(das sind Signalgemische mit hohen Frequenzanteilen) am Ein- 
und Ausgang.

Beadnoob schrieb:
> 2. Wie bestimme ich in meinem Anwendungsfall die Ferritperle bzw. den
> Filter?
Im Datenblatt eines Ferrites ist immer die Maximum Impedanz z.B. bei 
100MHz angegeben. Die 74279205 hat bei 150MHz 1050 Ohm. Je höher dieser 
Widerstandswert ist desto mehr dämpft der Ferrit das Signal(den 
Transient).
Wichtig bei der Auswahl ist aber auch das rated Current, also der max. 
Gleichstrom und der DC-Resistance(bildet einen Spannungsabfall über den 
Ferrit, der u.U. nicht zu hoch werden darf)
Auch die Bauteilgröße ist wichtig, wenn man versucht möglichst klein die 
Schaltung aufzubauen. Da tut man sich beim Layouten u.U. leichter.


Zusätzlich würde ich immer eine Suppressor-Diode am Eingang verbauen.
z.B. bei 15V-Eingangsspannung eine SMAJ15A.
Ich hab mal einen Schaltregler gebaut der mir beim 
Einschalten(Eingangsspannung anlegen) immer abgebrannt ist.
Mit dem oszi habe ich gesehen, dass beim Einschalten eine Überspannung 
am Eingang auftrat, welche höher war als die maximum VCC vom 
Schaltregler.
Mit der Suppressor-Diode habe ich dies dann verhindern können.

mfg
Mike

Autor: Beadnoob (Gast)
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Wie hoch sind denn die Störfrequenzen einer 24V Batterie?

Autor: M.A. S. (mse2)
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Beadnoob schrieb:
> Wie hoch sind denn die Störfrequenzen einer 24V Batterie?

Der Mittwoch vor Himmelfahrt ist der neue Freitag?
Oder was wollen uns Deine Worte wirklich fragen?

Autor: Stephan (Gast)
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M.A. S. schrieb:
>> Wie hoch sind denn die Störfrequenzen einer 24V Batterie?
>
> Der Mittwoch vor Himmelfahrt ist der neue Freitag?
> Oder was wollen uns Deine Worte wirklich fragen?

genau das.
Was soll denn der Ferrit am Eingang bewirken ? Störungen der 
Eingangsspannung unterdrücken ?

Autor: Stephan (Gast)
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Die Batterie wirkt schließlich wie ein riesiger C.

Autor: Beadnoob (Gast)
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M.A. S. schrieb:
>
> Der Mittwoch vor Himmelfahrt ist der neue Freitag?
> Oder was wollen uns Deine Worte wirklich fragen?
>

Denkfehler.

Die Ferritperle am Eingang dient dazu, die Störungen, die beim Schalten 
des Abwärtswandlers entstehen, zu verringern, oder? Der Wandler von TI 
hat eine Schaltfrequenz von 550kHz.
Also, müsste ich theoretisch alle Frequenzen darüber filtern, um ein 
sauberes Eingangssignal zu haben, richtig?

Autor: Mike (Gast)
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Hallo

Beadnoob schrieb:
> Wie hoch sind denn die Störfrequenzen einer 24V Batterie?

Wie hoch die leitungsgebundene Abstrahlung deines Schaltreglers welcher 
mit 24V Eingangsspannung betrieben wird hängt ab von:
Schaltfrequenz, Ausgangsleistung, EMV-gerechtes Layoutdesign, ...

Man kann m.E. vorher nicht berechnen wie hoch die leitungsgebundene 
Abstrahlung ist. Man kann sie nur Messen(Spectrumanalyser mit 
Netznachbildung) Sie hängt eben sehr stark damit zusammen wie man die 
Bauteile und die Kupferbahnen auf der LP positioniert.

Die Schaltung würde auch ohne Filter funktionieren.
Wenn es kein Produkt wird, dann kann im schlimmsten Fall die Abstrahlung 
selbst deine Schaltung stören oder andere elekt. Geräte.

Um ein Produkt auf dem Markt zulassen zu können, wird diese Abstrahlung 
in einem EMV-labor vermessen und darf bestimmte Limits(dBµV) nicht 
überschreiten.

Auf die Schnelle habe ich diesen link gefunden:
https://www.myembedded.de/2016/07/12/emv-moeglichkeiten-und-grenzen-externer-acdc-schaltwandler-bezueglich-der-elektromagnetischen-vertraeglichkeit/

mfg
Mike

Autor: M.A. S. (mse2)
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Beadnoob schrieb:
> Die Ferritperle am Eingang dient dazu, die Störungen, die beim Schalten
> des Abwärtswandlers entstehen, zu verringern, oder?
Genau so ist es.


Beadnoob schrieb:
> Also, müsste ich theoretisch alle Frequenzen darüber filtern, um ein
> sauberes Eingangssignal zu haben, richtig?
Nicht 'Eingangssignal' sondern saubere Betriebsspannung.
Es soll verhindert werden, dass
- andere Geräte, die mit an diesem Netz hängen, gestört werden und dass
- Abstrahlung über die Versorgungsleitungen stattfinden kann.

Letzteres Problem ist um so schlimmer, je höher die Freqzenzen werden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Bürovorsteher (Gast)
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> Man kann m.E. vorher nicht berechnen wie hoch die leitungsgebundene
> Abstrahlung ist. Man kann sie nur Messen(Spectrumanalyser mit
> Netznachbildung) Sie hängt eben sehr stark damit zusammen wie man die
> Bauteile und die Kupferbahnen auf der LP positioniert.

Genau mit diesem Schaltregler und der von National/TI vorgebenen 
minimalen Außenbeschaltung (ohne Drossel oder Dämpfungsperlen) und 
Wandlung von 10-30 auf 5 V bei einer Last von 0,3 A habe ich die 
leitungsgebundenen Störungen nachgemessen.
Für EN55011A lagen die Störungen im gesamten Bereich mindestens 18 dB 
unter dem Grenzwert.
Bedingung: MLL4 mit kürzester Leitungsführung.
Bitte erst messen und dann Panik machen.

Autor: Alexander (Gast)
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Ich bin kein Experte in Sachen EMV, daher aus reiner Neugier gefragt:

der TE möchte am Eingang eine Ferritperle implementieren. Der Eingang 
ist jedoch eine Batterie. Zu diesem Zeitpunkt konnte ich nirgends lesen, 
dass an der Batterie noch andere Lasten hängen, insofern gehe ich bis 
dato davon aus, dass lediglich der Buck Wandler an der Batterie hängt.

Welchen Sinn macht die Ferritperle am Eingang? Leistungsgebundende 
Störung (conducted emission) am Eingang würde ich also ausschließen. Die 
Ferritperle am Eingang für strahlungsgebundene Störung (radiated 
emission) kann ich ebenfalls nicht nachvollziehen.

Meine Frage an den TE ist demnach:
Hängen noch weitere Lasten an der Batterie?

Vielleicht mag ja jemand dazu Bezug nehmen und mich weiter aufklären.

Gruß,

Autor: jz23 (Gast)
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Alexander schrieb:
> Welchen Sinn macht die Ferritperle am Eingang? Leistungsgebundende
> Störung (conducted emission) am Eingang würde ich also ausschließen.

Wieso würdest du die ausschließen? Genau dafür verbaut man die doch: Um 
die Stromspitzen, die der Wandler aufnimmt, von der Leitung vom Eingang 
fernzuhalten. Unabhängig davon, ob noch weitere Geräte dranhängen, 
schließlich ist die Zuleitung in den seltensten Fällen geschirmt und 
würde so super abstrahlen.

Autor: Alexander (Gast)
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jz23 schrieb:
> Wieso würdest du die ausschließen? Genau dafür verbaut man die doch: Um
> die Stromspitzen, die der Wandler aufnimmt, von der Leitung vom Eingang
> fernzuhalten. Unabhängig davon, ob noch weitere Geräte dranhängen,
> schließlich ist die Zuleitung in den seltensten Fällen geschirmt und
> würde so super abstrahlen.

Hi jz23,
Ich nehme die Batterie als eine sehr steife Gleichspannungsquelle an, 
die ausgangsseitig mit einem immens großen C modelliert werden kann. 
Oder anders ausgedrückt:
Die Batterie kann die Stromspitzen liefern, ohne das die 
Batteriespannung einbricht.

Vielleicht liege ich in meiner Annahme falsch, aber die Stromspitzen vom 
Buck Wandler beeinflussen die Lebensdauer der Batterie eher geringfügig. 
Wenn dem so ist, und an der Batterie eh eine konstante Spannung liegt 
aufgrund der großen modellierten Ausgangskapazität, und darüber hinaus 
auch keine weiteren Verbraucher an der Batterie hängen, dann sehe ich 
keinen Grund für die Ferritperle.

Gruß,

Autor: jz23 (Gast)
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Alexander schrieb:
> Die Batterie kann die Stromspitzen liefern, ohne das die
> Batteriespannung einbricht.

Das ist richtig, wenn man die Induktivität der Zuleitungen 
vernachlässigt. Aber gerade die sorgen dafür, dass auf den Leitungen die 
Spannung abfällt, wenn man den Eingang nicht filtert.

Alexander schrieb:
> Vielleicht liege ich in meiner Annahme falsch, aber die Stromspitzen vom
> Buck Wandler beeinflussen die Lebensdauer der Batterie eher geringfügig.

Ich hab nichts gegenteiliges geschrieben ;-)

Alexander schrieb:
> Wenn dem so ist, und an der Batterie eh eine konstante Spannung liegt
> aufgrund der großen modellierten Ausgangskapazität, und darüber hinaus
> auch keine weiteren Verbraucher an der Batterie hängen, dann sehe ich
> keinen Grund für die Ferritperle.

Ja, die Spannung an der Batterie bleibt konstant - aber die Spannung 
über der Zuleitung nicht. Und das verursacht Störungen.

Autor: M.A. S. (mse2)
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Alexander schrieb:
> Hi jz23,
> Ich nehme die Batterie als eine sehr steife Gleichspannungsquelle an,
> die ausgangsseitig mit einem immens großen C modelliert werden kann.

...was vollkommener Blödsinn ist (sorry), jedenfalls aus HF-technischer 
Sicht und allein um die geht es beim Thema Abstrahlung.

Und selbst wenn dieses (falsche) Modell richtig wäre: Was die Batterie 
macht, sagt nichts darüber aus, was die Leitungen zwischen Batterie und 
Gerät tun.

Evtl. kann man sich Ferrite sparen, wenn diese Leitungen sehr kurz sind.
(Was in welcher Situation als 'sehr kurz' zu bewerten wäre, ist wieder 
ein anderes, komplexes Thema.)

: Bearbeitet durch User
Autor: Alexander (Gast)
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Wir haben zwei Kondensatoren am. Eingang des Buck Wandlers (4.7uF und 
irgendwas mit nF).

Welcher Spannungsabfall über der Leitung fällt an, und wen genau stört 
dieser Spannungsabfall? Der Batterie? Dem. Buck Wandler? Dem Nachbar 
nebenan?

Wenn an der Leitung weitere Verbraucher hängen, oder sich in der Nähe 
der Leitung andere Verbraucher befinden, kann ich den Sinn des Ferrits 
nachvollziehen.

Ich habe aber noch nicht vollkommen verstanden, wen genau der lückende 
Strom zwischen zwei Kondensatoren stören sollte, wenn dort weit und 
breit niemand ist, den man stören kann.

Gruß,

Autor: M.A. S. (mse2)
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Alexander schrieb:
> Dem Nachbar
> nebenan?

Rettet dem Dativ!
Inhaltlich: Genau den! Es geht hier um mögliche Störabstrahlung (bzw. 
deren Vermeidung)!

Autor: Alexander (Gast)
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M.A. S. schrieb:
> Alexander schrieb:
>> Dem Nachbar
>> nebenan?
>
> Rettet dem Dativ!
Danke für den Hinweis - nach über 7 Jahren im Ausland merke ich, dass 
mein Feingefühl ein wenig verloren geht. Das muss ich noch mal 
auffrischen :)

> Inhaltlich: Genau den! Es geht hier um mögliche Störabstrahlung (bzw.
> deren Vermeidung)!
Es ist ein 24V zu 3,3V Wandler mit ner 1A Diode am Ausgang. Wir bewegen 
uns hier also bei wenigen Watt. So wirklich viel Leistung fließt da nun 
nicht.

Und genau da hört mein Wissen im Bereich EMV so langsam auf. Ist das 
wirklich genug Leistung (24V, <200mA am Eingang), um den Nachbarn, der 
über 20 Meter entfernt ist, über Strahlung (Radiated Emission) zu 
ärgern?

Denn leistungsgebundene Störung (Conducted Emission) gibt es in dem 
Sinne nicht, weil der Nachbar nicht an derselben 24V Batterie hängt.

Irgendwo muss ein Denkfehler bestehen :/

Gruß,

Autor: Kleinstwohnung (Gast)
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Alexander schrieb:
> den Nachbarn, der über 20 Meter entfernt ist

Und woher willst Du das wissen? Das Ganze soll auch "im schlimmsten 
Falle" problemlos arbeiten, wenn also zwischen der Batterie/Kabel/Gerät- 
Kombination und möglichen Empfängern nur eine Wand liegt.

Außerdem (da ich nicht beurteilen kann, ob gerade geschriebenes 
zutrifft):

Das alles kam vom TO selbst. Sogar, wenn EMV bei diesem Projekt 
unproblematisch wäre - will er vielleicht a.) trotzdem sichergehen 
bzw. immer Minimale Maßnahmen anwenden oder b.) trotz der Batterie hier 
den Wandler auch mal woanders einsetzen können oder c.) ... d.) ... etc.

Autor: Mark S. (voltwide)
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Bei EMV reden wir von Störgpegeln, die so gering sind, dass ein 
Radioempfänger im selben Raum nicht nennenswert gestört wird.
Im Bereich der leitungsgebundenen Störungen sind das Pegel im uV- bis 
mV-Bereich.
Leistungen im Watt-Bereich, umgewandelt in Hochfrequenz, reichen aus um 
tausende km weit zu funken - soviel zu der "niedrigen" Leistung des 
Prüflings.

Die Ferritperle am Eingang bewirkt eine höhere Impedanz im HF-Bereich.
Das bewirkt, dass der Stromripple am Eingang des Wandlers nahezu zu 100% 
durch den Stützkondensator fließt, und nicht die Stromzuführungsleitung 
verseucht, die dann als Antenne abstrahlt.

Solch ein Eingangsfilter mit Ferritperle und MLCC-Stützkondensatoren 
kann einen recht hohen Gütefaktor erreichen. Mit der Folge, dass bei 
Eingangsstromsprüngen die Eingangsspannung überschwingt und den Wandler 
zerstört. (s.eines der vorangegangenen postings).
Abhilfe schafft hier entweder eine suppressor-Diode oder ein parallell 
geschalter passender Elko, der den Gütefaktor nach unten drückt.

Autor: achja (Gast)
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Mike schrieb:
> Hallo
>
> Beadnoob schrieb:
>> Auf Figure 12 sieht man, dass parallel zur Ferritperle noch ein
>> Kondensator mit 10µF geschaltet ist.
>
> Du meinst aber nicht parallel, es ist eher ein Pi-Glied. Also 10µF am
> Eingang, dann der Ferrit und dann wieder 10

Du meinst 10nF, wenn überhaupt.

Ferritperlen sind wirksam bei Frequenzen um die 10-1000MHz - und da gibt 
es riesige Unterschiede. Wirklich riesige. Aber ein 10µ-Kerko bewirkt 
bei solchen Frequenzen gar nichts mehr, der wirkt als Spule - kuckt man 
beim Hersteller, da gibts ein Z über f Diagramm.

Schlimmer noch, falsche Ferritperle + falscher Kondensator können 
durhaus auch hohe Güten aufweisen, was dann zu Schwingungen führen kann. 
Hatte schon EMV-Probleme exakt damit(Netzrückwirkungen).

Ich empfehle darum, Simulationen solcher Filter zu machen. Die Modelle 
werden von den Herstellern meist angeboten, oder man strickt sie sich 
selber.

Das Bauchgefühl muss auch bei EMV-Maßnahme Zuhause bleiben. Wer 
Ferritperlen verbaut, ohne genau zu wissen warum, sollte sie lieber 
weglassen. Sie kosten Geld, und wenn das etwas bewirken soll, muss man 
schon etwas mehr Hirn als "Großzügig über der Platine ausgießen" 
hineinstecken.

Autor: Klaus (Gast)
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Beadnoob schrieb:
> ich habe vor einen Abwärtswandler zu entwerfen. Eingangsspannung 24V
> Batterie, Ausgang 3.3V.

Da ist offensichtlich noch kein einziges Milliampere in eine Last 
geflossen.

Beadnoob schrieb:
> Nun habe ich an entsprechende Filtermaßnahmen gedacht und bin auf die
> Methode mit einer Ferritperle am Eingang gestoßen.

Mein erster Gedanke wäre, bring die Schaltung erstmal vernünftig zum 
funktionieren. Wenn sie nicht geht oder ständig der Regler abraucht kann 
man auch keine Abstrahlung messen. Für ne vollständige Messung muß sie 
mindestens ein paar Stunden unter Vollast laufen.

First make it work, than make it nice

MfG Klaus

Autor: Mike (Gast)
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Hallo

Ich verbaue bei Schaltreglern immer einen Ferrit am Eingang.
Dass muss ich machen um die leitungsgebundene Abstrahlung unter die EMV 
vorgeschriebenen Limits zu drücken.
Wenn es kein Produkt wird und wenn es in einer Umgebung betrieben wird 
in welcher nachweislich keine anderen elek. Geräte gestört werden ist 
ein Ferrit nicht notwendig.


Ein Hardwareentwickler würde aber immer einen Ferrit(und eine 
Suppressordiode) einbauen weil so ein Schaltregler in der Regel auf 
einer PCB aufgebaut wird.
Wenn man erkennt dass der Ferrit nicht notwendig ist wird ein 0R 
gesetzt.
Wenn die Suppressordiode nicht notwendig ist wird sie einfach! nicht 
bestückt.
Anders herum: Wenn man die PCB hat ohne Ferrit und man kommt später 
darauf dass dieser Ferrit doch wichtig ist dann ärgert man sich weil man 
wieder eine neue PCB benötigt was eben Geld und Zeit kostet.


mfg
Mike

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Beadnoob schrieb:
> LC-Filter fliegt aus
> Platzgründen raus.

Und wieder wird die sinnvolle Lösung von vorneherein ausgeschlossen. 
Erstens ist eine HF Drossel und ein C nicht groß und zweitens hat man 
damit die Möglichkeit, durch sinnvolle Dimensionierung selbst Störungen 
auf der Grundfrequenz des Wandlers zu dämpfen. Ferritperlen verrunden 
zwar Flanken auf VHF und UHF, sind aber auf niedrigen Frequenzen 
wirkungslos.

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