Application Notes | 15 Oktober 2021

Die EMV von LED Treibern in den Griff bekommen

Mittlerweile findet man LEDs zur Lichterzeugung in fast allen Anwendungen. Diese haben sich in relativ kurzer Zeit als bevorzugte Wahl der Beleuchtung etabliert. In den meisten Anwendungen kann eine LED jedoch nicht allein ihre Funktion erfüllen. Die LEDs müssen mit einer passenden Stromversorgung betrieben werden.

Diese Treiberschaltung soll sinnvollerweise so effizient wie möglich sein. Darum werden hauptsächlich getaktete Stromversorgungen hierfür eingesetzt. Bei Stromversorgungen jeder Art ist elektromagnetische Verträglichkeit ein Thema. Besonders auch in LED Lampen. Über die Zeit haben sich verschiedene Standards etabliert, um die erzeugten Störungen von LED Lampen zu messen, zu bewerten und zu dokumentieren. Unkontrollierte elektromagnetische Störungen können schwerwiegende Auswirkungen haben. Erst neulich habe ich eine solche Auswirkung hautnah erleben müssen. In meinem Elektrischen Garagentorantrieb war eine alte E27 Glühbirne ausgefallen. Nachdem sie mit einer modernen LED Lampe ersetzt war, funktionierte die Beleuchtung wieder. Leider konnte das Garagentor jedoch nicht mehr mit der Fernbedienung geöffnet werden. Es muss also ein störender Einfluss der abgestrahlten Störungen der LED Leuchte auf die Funkelektronik stattgefunden haben. Die Störungen welche von einer getakteten Stromversorgung erzeugt werden sind zum einen leitungsgebundene Störungen und zum anderen abgestrahlte Störungen. Elektromagnetische Störungen eines LED Treibers können also leitungsgebunden übertragen werden aber auch magnetisch oder kapazitiv in benachbarte Schaltungsteile einkoppeln. Diese Störungen sind meistens nicht zerstörerisch, können aber dazu führen, das Schaltungsteile nicht mehr wie gewünscht funktionieren. Es ist also naheliegend, dass erzeugte Störungen möglichst gering gehalten werden sollen, aber welche Vorgaben gibt es, an die man sich unbedingt halten muss? Alle elektrischen und elektronischen Produkte innerhalb der Europäischen Union müssen ein CE Zeichen führen. Dieses definiert ein Produkt als konform mit den EU Regeln zur Sicherheit, Gesundheit sowie zum Umweltschutz. Resultierend darf ein solches konformes Gerät innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes bewegt werden. Weltweit gibt es noch andere wichtige Vorgaben was die Abstrahlung von Störungen betrifft, Beispielsweise UL, CSA sowie einige mehr. Wenn dennoch elektrische Geräte vertrieben werden, welche die Vorgaben nicht einhalten, können finanzielle Strafen fällig werden, es kann angeordnet werden, dass die in Umlauf gebrachten Geräte zerstört werden müssen und in einigen Ländern kann bei einem extremen Verstoß sogar eine Freiheitsstrafe des Schuldigen drohen. Spezifisch für die Sicherheit mit, sowie die Störungen von LED Lampen, gibt es viele Standards. Eine wesentliche ist die CISPR 11. CISPR steht für ‚International Special Committee on Radio Interference‘. Es gibt viele andere Regelwerke, welche sich auf die CISPR Standards beziehen, beispielsweise ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE und weitere. Leitungsgebundene Störungen können mit entsprechendem Aufwand recht vorhersehbar durch zusätzliche Filter reduziert werden. Diese Filter werden ausgeführt um gleichtakt oder differenzielle Störungen zu adressieren. Der Frequenzbereich der hier üblicherweise eine Rolle spielt liegt unter 30MHz. So ganz einfach ist es aber nicht solche Filter zu entwickeln. Filter sind meistens für einen gewissen Frequenzbereich optimiert. In anderen Frequenzbereichen können parasitäre Einflüsse und das dabei veränderte Verhalten der verwendeten Bauteile Probleme verursachen. Beispielsweise kann ein Filter Störungen der getakteten Stromversorgung bei 100kHz gut dämpfen. Stromversorgungen stören jedoch üblicherweise in einem breiten Frequenzbereich gerade auch oberhalb von 10MHz. Hier könnte der für 100kHz optimierte Filter durch parasitäre Effekte und Resonanzen, Störungen sogar noch verstärken. Die abgestrahlten Störungen lassen sich nicht so vorhersehbar reduzieren. Hier spielt der Energiegehalt von parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Leiterbahn sowie passiver Schaltungskomponenten eine entscheidende Rolle. Der Frequenzbereich liegt üblicherweise oberhalb von 30MHz bis zu einem oberen Limit, welches in den jeweiligen Standards festgeschrieben ist. Solche abgestrahlten Störungen lassen sich nur ganz schlecht reduzieren. Auch ist hierbei einiges an Erfahrung sowie Hintergrundwissen notwendig. Besonders beim Treiben von LED Lampen können die abgestrahlten Störungen besonders groß werden. Üblicherweise wird eine Kette von LEDs angesteuert. Diese Serienschaltung braucht häufig recht viel Platz auf der Platine. Dadurch hat diese geometrische Anordnung Eigenschaften einer Antenne und erzeugte Störungen werden besonders effektiv abgestrahlt. Das Schirmen von elektrischen Schaltungen ist aufwändig, teuer und im Fall von LEDs teilweise gar nicht möglich, da das gewünschte Licht nicht durch ein Schirmblech kommen würde. Somit liegt die Lösung darin, abgestrahlte Störungen möglichst nur in sehr geringem Umfang zu erzeugen. Bei dem Entwurf von LED Lampen mit Stromversorgung gibt es bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit die folgenden Möglichkeiten:

Hinzufügen von Filtern an allen Ein und Ausgängen der Stromversorgung ohne die konkreten Störungen wirklich zu verstehen. Dadurch ergeben sich üblicherweise hohe Kosten für überdimensionierte Bauteile und höhere Kosten in der Fertigung.
Ein bewährtes Filterkonzept immer wieder zu verwenden, ohne den Filter jedes Mal anzupassen. Auch dabei ergeben sich potentiell höhere Bauteilekosten und gegebenenfalls kein optimales Filterdesign.
Beauftragen eines Experten um den Filterentwurf beizustellen. Hierbei muss der externe Experte zur richtigen Zeit auch verfügbar sein. Ebenfalls werden so zusätzliche Kosten verursacht.
Schaltregler ICs auswählen, welche bereits für niedrigste Störungen und optimiertes EMV Verhalten ausgelegt sind. Hierbei ist entweder gar kein oder zumindest nur ein kleinerer Filteraufwand nötig.

Die meisten LED Treiber sind Boost (Step-Up) Regler. Bild 1 zeigt einen elementaren Schaltplan eines solchen Reglers. Boost Regler haben eingangsseitig üblicherweise geringere leitungsgebundene Störungen. Die Eingangsströme sind nicht pulsierend. Ausgangsseitig gibt es jedoch sehr hohe Störungen, da hier pulsierte Ströme über die Freilaufdiode fließen. Während der on-Zeit, also wenn der mit Masse verbundene Schalter eingeschaltet ist, wird die Induktivität geladen und es findet kein Stromfluss durch die Freilaufdiode statt. Die gesamte Energie zur Versorgung der Last zu diesem Zeitabschnitt kommt aus der Ausgangskapazität.

Bild 1. Schaltplan eines Boost Reglers, eine sehr übliche Topologie für LED Treiber In Bild 1 sind in blauer Farbe der Stromfluss während der On-Zeit und in grüner Farbe der Stromfluss während der Off-Zeit dargestellt. Alle Pfade, wo sich der Stromfluss in sehr kurzer Zeit, der Schaltübergangszeit, ändert, sind in Bild 1 in rot dargestellt. Diese Pfade ändern ihren Zustand von Stromfluss zu kein Stromfluss in nur wenigen Nanosekunden. Dies sind die kritischen Pfade und sie müssen unbedingt so klein und kompakt wie möglich ausgelegt werden um die abgestrahlten Störungen so weit wie möglich zu reduzieren. Seit neuem gibt es Schaltregler ICs, die durch Innovationen sehr viel geringere abgestrahlte Störungen erzeugen. Hierbei werden die kritischen Pfade so symmetrisch aufgebaut, dass sich die erzeugten magnetischen Felder, durch unterschiedliche Richtung des Strmflusses, zum größten Teil aufheben.

Bild 2. Silent Switcher Konzept mit sich aufhebenden magnetischen Feldern Bild 2 zeigt die symmetrische Anordnung einer solchen Topologie. Das in der linken roten Schleife erzeugte magnetische Feld ist genau so groß wie das Feld in der rechten roten Schleife, zeigt jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch kommt es zu dem Effekt der Feldauslöschung. Bei Analog Devices wird diese Technologie unter dem Namen Silent Switcher vermarktet. Zusätzlich zu dieser Innovation wird ebenfalls die parasitäre Induktivität in allen kritischen Leitungsteilen stark reduziert, um die abgestrahlten Felder erheblich zu reduzieren. Dies wird durch die sogenannte Flip-Chip Technologie bewerkstelligt. Hierbei wird das Silizium des Schaltregler ICs nicht wie gewöhnlich mit Bonding-Drähten mit dem Gehäuse des IC verbunden, sondern mit sogenannten Kupfersäulen.

Bild 3. Beispielschaltung eines Silent Switcher LED Treibers optimiert für geringste Störungen und bestes EMV Verhalten Diese haben sehr viel geringere Induktivität. Somit bildet sich bei einer gleich schnellen Schaltung eines Stromes viel weniger Spannungsversatz und dadurch geringere Störabstrahlungen. Es ist also sehr wohl möglich, durch den Einsatz von optimierten LED Treiber ICs, EMV Störungen erheblich zu reduzieren. In manchen Fällen kann dadurch sogar auf die Nutzung von EMV Filtern verzichtet werden um gewisse EMV Grenzen nicht zu überschreiten.

Bild 4. Durchschnittliche abgestrahlte EMV (CISPR25) des LT3922-1 aus Bild 3 Eine praktische Schaltung welche nur sehr geringe Störungen abstrahlt ist in Bild 3 gezeigt. Hier wird der LT3922-1 in einer Boost Schaltung betrieben. Es werden mit einer Eingangsspannung zwischen 8V und 27V eine Kette von 10 LEDs mit 333mA getrieben. Bei dieser Konstellation wird mit 2MHz Schaltfrequenz geschaltet und die erzeugten Störungen sind minimal. In Bild 4 wird die durchschnittliche Störabstrahlung der Schaltung aus Bild 3 gezeigt. Die in rot eingetragenen Linien sind die jeweiligen Grenzen der CISPR25 Spezifikation. Wie zu erkennen ist, wird diese Spezifikation mit recht hohem Abstand erfüllt (unterschritten). Ein LED Treiber, welcher für niedrige Störungen konzipiert ist, wie der LT3922-1, bietet häufig auch die Möglichkeit eine SSFM (Spread Spectrum Frequency Modulation) Funktionsweise zu aktivieren. Dies reduziert zwar nicht die echten Störaussendungen, breitet die Störungen jedoch über einen breiteren Frequenzbereich aus. Dadurch können bei der Messung zu einzelnen EMV Standards verbesserte Resultate erzielt werden. Der LT3922-1 bietet diese Funktion zwischen der jeweiligen eingestellten Schaltfrequenz und 125% davon.