{"id":9535,"date":"2025-01-29T09:00:41","date_gmt":"2025-01-29T08:00:41","guid":{"rendered":"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/?p=9535"},"modified":"2025-04-28T15:21:18","modified_gmt":"2025-04-28T13:21:18","slug":"stoeraussendung-eines-batterie-ladereglers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/en\/stoeraussendung-eines-batterie-ladereglers\/","title":{"rendered":"Interference emission from a battery charge controller"},"content":{"rendered":"<h2>Introduction<\/h2>\n<p>Um bei der EMV Pr\u00fcfung f\u00fcr die Zulassung neuer medizintechnischer Ger\u00e4te das Risiko zu reduzieren machen wir gerne Vortests mit den Ger\u00e4ten in der Prototypen Phase. Aktuell unterst\u00fctzen wir bei der Entwicklung eines Ger\u00e4tes zur Erfassung von Vitalparametern. Das Ger\u00e4t kann \u00fcber ein Netzteil oder Akku versorgt werden.Manchmal verlaufen diese Vortests bereits bei der ersten Messung ohne Auff\u00e4lligkeiten, aber bei diesem Ger\u00e4t gab es Problem bei der St\u00f6raussendung im hochfrequenten Bereich. Wie sollte man nun vorgehen?<\/p>\n<p>A good way to narrow down the cause of the error is to deactivate individual functions of the device (if possible) or unplug cables. In this case, you&#039;ll notice that the interference decreases somewhat when all sensors are no longer connected, but it&#039;s only significantly reduced when the power supply is unplugged.<\/p>\n<p>Hence, the suspicion that the problem is coming from the battery charge controller. In our case, a synchronous step-down converter (buck converter) with two external MOSFETs is used.<\/p>\n<h2>Sources of interference Buck Converter<\/h2>\n<p>The main cause of electromagnetic interference in buck regulators is high-frequency currents in small current loops. In our case, there are two main loops, which can be seen in the following image.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild2-1024x440.png\" alt=\"\" width=\"605\" height=\"260\" \/><\/p>\n<p>Because currents I1 and I2 are discontinuous, both have steep edges when switching on and off. This causes high-frequency interference. The critical path here is area A between Cin, Q1, and Q2, because this is where the highest current flows. This also causes the most high-frequency interference.<\/p>\n<p>So we have the following starting points:<\/p>\n<ul>\n<li>Reduction of current loops through the layout<\/li>\n<li>Reduction of switching speed<\/li>\n<li>Damping slew rates<\/li>\n<li>Limiting the slope, e.g. by snubber<\/li>\n<\/ul>\n<p>We will look at these below.<\/p>\n<h2>Optimizing the layout<\/h2>\n<p>Beim Entwurf des Layouts sollten die Vorgaben aus den Datenbl\u00e4ttern stets beachtet werden. Bei diesem Projekt war das aufgrund der vorgegebenen Dimensionen leider nicht m\u00f6glich. Dabei kam es im Layout zu gr\u00f6\u00dferen Stromschleifen.Mit der Erfahrung aus den ersten Messungen und den folgenden Tipps konnte das im Redesign deutlich verbessert werden.Um hochfrequente St\u00f6rungen zu minimieren, sollte die Fl\u00e4che A m\u00f6glichst klein gehalten werden. Durch geschickte Platzierung der Bauteile kann dies erreicht werden kann.<\/p>\n<p>Here are a few tips regarding the layout of buck converters:<\/p>\n<ol>\n<li>Place Q<sub>HIGH<\/sub> and Q<sub>LOW<\/sub> opposite, so that drain and source are opposite each other, which reduces the loop considerably.<\/li>\n<li>Use input capacitors of different sizes and place them as close as possible between Q<sub>HIGH<\/sub> Drain and Q<sub>LOW<\/sub> Source.<\/li>\n<li>To connect decoupling capacitors to the GND area, multiple vias should be used to reduce the impedance of the connection.<\/li>\n<li>Place GND of the output capacitors outside the switching loop of the input capacitors.<\/li>\n<li>The circuit traces of the switching point and boost pins should be kept short and small.<\/li>\n<li>Signal path and power path should be separated<\/li>\n<li>Do not use a heat trap in the critical path, as this creates additional inductance.<\/li>\n<li>The GND surface for shielding should be directly below the surface containing the interference sources. It should be as continuous as possible beneath the input circuit.<\/li>\n<\/ol>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td>Old<\/td>\n<td>New<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild3-300x201.png\" alt=\"\" width=\"300\" height=\"201\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild4-300x182.png\" alt=\"\" width=\"300\" height=\"201\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>The loops of the current paths could be significantly reduced by implementing the tips, and the IC was also placed outside the current paths.<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td>Old layout<\/td>\n<td>New optimized layout<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild5.png\" alt=\"\" width=\"551\" height=\"350\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild6.png\" alt=\"\" width=\"551\" height=\"350\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>A direct comparison shows that the improved layout reduced the interference. However, it&#039;s not enough to pass the test.<\/p>\n<h2>Switching speed<\/h2>\n<p>One way to reduce emissions is to slow the switching speed. A series resistor at the gate of the MOSFET increases its on and off time, thus reducing high-frequency interference. The resistance cannot be chosen arbitrarily, as increasing the series resistance also increases the power dissipation in the MOSFET, causing it to heat up. Typical values in such applications are 5 to 10 \u03a9.<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td>0 ohms<\/td>\n<td>10 ohms<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild7.jpg\" alt=\"\" width=\"581\" height=\"280\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild8.jpg\" alt=\"\" width=\"579\" height=\"280\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild9.png\" alt=\"\" width=\"521\" height=\"334\" \/><\/p>\n<p>The images clearly show the relationship between emissions and power dissipation. Using a 10 ohm series resistor, the value is below the limit. However, this also significantly increases the temperature of the MOSFETs, in this case by about 40\u00b0C. This significantly reduces the service life of the components.<\/p>\n<h2>RC Snubber<\/h2>\n<p>Snubber-Schaltungen spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von EMI, indem sie die Spannungsspitzen d\u00e4mpfen, die w\u00e4hrend des Schaltvorgangs aufgrund von parasit\u00e4ren Induktivit\u00e4ten auftreten. Dadurch k\u00f6nnen hochfrequente Anteile im Schaltsignal reduziert werden. Der Nachteil an Snubber-Schaltungen ist der zus\u00e4tzliche Verlust, der durch sie entsteht.Ein typischer Snubber besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator, welche direkt neben dem MOSFET platziert werden, in unserem Fall dem Low-side MOSFET.Der Widerstandswert h\u00e4ngt von der gew\u00fcnschten D\u00e4mpfung (\u03be) und den, meist unbekannten parasit\u00e4ren Induktivit\u00e4ten und Kapazit\u00e4ten ab.<\/p>\n<p>The damping value chosen here is 0.4. <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1fdeb55b4f29333be68638b075a618d4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#82;&#95;&#83;&#32;&#61;&#32;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#32;&#120;&#105;&#125;&#32;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#76;&#95;&#112;&#125;&#123;&#67;&#95;&#112;&#125;&#125;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"304\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/><\/p>\n<p>The following procedure can be used to determine the parasitic inductance and capacitance.<\/p>\n<ol>\n<li>Measuring the oscillation frequency (f<sub>RING<\/sub>) in the rising flank<\/li>\n<li>Increase the capacitance between the switching node and GND until the oscillation frequency is halved<\/li>\n<li>If the frequency is halved, the total capacitance is 4 times higher than at the beginning of the measurement. The parasitic capacitance (C<sub>p<\/sub>) corresponds to one third of the added capacity<\/li>\n<li>The parasitic inductance can be calculated. <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cf587b4a5580c658ca675a7005fc0972_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#44;&#32;&#76;&#95;&#112;&#32;&#61;&#32;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#67;&#95;&#112;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#108;&#101;&#102;&#116;&#32;&#40;&#50;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#112;&#105;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#102;&#95;&#123;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#82;&#73;&#78;&#71;&#125;&#125;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#94;&#50;&#125;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"25\" width=\"533\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/><\/li>\n<li>The snubber resistor (R<sub>S<\/sub>) can be calculated using the formula above and the snubber capacity (C<sub>S<\/sub>) is usually chosen to be 3-4 times larger than the parasitic capacitance<\/li>\n<\/ol>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td>1. Measurement f<sub>RING<\/sub><\/td>\n<td>2. Additional capacity 837 pF<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild10.png\" alt=\"\" width=\"538\" height=\"300\" \/>f<sub>RING<\/sub> = 138.8 MHz<\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild11.png\" alt=\"\" width=\"538\" height=\"300\" \/>f<sub>RING<\/sub> = 69.4 MHz<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p><strong>3.<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-daf5317fd9e3e62efd07f4d13a17c476_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#67;&#95;&#112;&#32;&#61;&#32;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#67;&#95;&#123;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#97;&#100;&#100;&#101;&#100;&#125;&#125;&#125;&#123;&#51;&#125;&#32;&#61;&#32;&#50;&#55;&#57;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#112;&#70;&#125;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"21\" width=\"325\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/><\/p>\n<p><strong>4.<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1ca24a83d6dcecf573a06c60a7e3dd11_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#76;&#95;&#112;&#32;&#61;&#32;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#55;&#57;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#112;&#70;&#125;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#50;&#32;&#112;&#105;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#49;&#51;&#56;&#46;&#56;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#77;&#72;&#122;&#125;&#32;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#94;&#50;&#125;&#32;&#61;&#32;&#52;&#46;&#55;&#49;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#110;&#72;&#125;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"49\" width=\"692\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/><\/p>\n<p><strong>5.<\/strong> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-60e6d655a6ff35bf8b7b380013393004_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#82;&#95;&#83;&#32;&#61;&#32;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#32;&#44;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#32;&#48;&#46;&#52;&#125;&#44;&#32;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#52;&#46;&#55;&#49;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#110;&#72;&#125;&#125;&#123;&#50;&#55;&#57;&#32;&#44;&#32;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#112;&#70;&#125;&#125;&#125;&#32;&#61;&#32;&#53;&#46;&#49;&#52;&#32;&#44;&#32;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"656\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/><\/p>\n<p>For C<sub>S<\/sub> wird 1nF gew\u00e4hlt.Messungen mit RC Snubber (4.7\u2126 und 1nF):<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild12.png\" alt=\"\" width=\"601\" height=\"350\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild13.png\" alt=\"\" width=\"547\" height=\"350\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>The snubber can significantly reduce interference in the 100MHz to 300MHz range.<\/p>\n<h2>Input filter<\/h2>\n<p>ESR und ESL der Kondensatoren erh\u00f6hen deren Impedanz, was hochfrequente Spannungseinbr\u00fcche zur Folge hat. Diese Spannung induziert Str\u00f6me in die Versorgung der Schaltung. Die diskontinuierlichen Eingangsstr\u00f6me und die L\u00e4nge der Versorgungsleitung k\u00f6nnen ebenfalls zu gestrahlten Emissionen f\u00fchren.Um die Spannungseinbr\u00fcche zu verringern, sollten mehrere MLCCs mit niedrigem ESR und unterschiedlicher Bauformen genutzt werden. Au\u00dferdem kann ein LC-Filter verwendet werden, um die St\u00f6rungen lokal zu halten.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild14.png\" alt=\"\" width=\"517\" height=\"331\" \/><\/p>\n<p>The LC filter significantly attenuates interference at all frequencies.<\/p>\n<h2>Result<\/h2>\n<p>To resolve the EMC issues, all discussed measures were implemented. Their effectiveness has already been discussed in the respective chapters. Here is a final comparison of the measures:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<td>Previously<\/td>\n<td>Old layout with all measures<\/td>\n<td>New layout with all measures<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild15.png\" alt=\"\" width=\"546\" height=\"350\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild16.png\" alt=\"\" width=\"546\" height=\"350\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild17.png\" alt=\"\" width=\"546\" height=\"350\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Man sieht hier sehr sch\u00f6n wie wichtig das Layout bei einem Abw\u00e4rtsregler ist. Im ersten Vergleich scheint der Unterschied nicht besonders gro\u00df zu sein, zumal die Abstrahlung im Bereich gr\u00f6\u00dfer 300MHz sogar etwas schlechter wird.Vergleicht man aber die darauffolgenden Ma\u00dfnahmen sieht man, dass diese zusammen mit dem verbesserten Layout die St\u00f6raussendung deutlich st\u00e4rker reduzieren.<\/p>\n<p>Ich hoffe ihnen hat der Artikel gefallen. Man sieht hier sehr sch\u00f6n, dass das Layout erheblichen Einfluss auf die EMV von Ger\u00e4ten haben kann. Und dass man mit den richtigen Ma\u00dfnahmen diese Probleme sehr gut in den Griff bekommt.Falls Sie unsere Unterst\u00fctzung ben\u00f6tigen, z.B. durch Reviews oder Messungen k\u00f6nnen Sie uns jederzeit benachrichtigen.<!--<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild16.png\" alt=\"\" width=\"546\" height=\"350\" \/><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/Bild17.png\" alt=\"\" width=\"546\" height=\"350\" \/>--><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Einleitung Um bei der EMV Pr\u00fcfung f\u00fcr die Zulassung neuer medizintechnischer Ger\u00e4te das Risiko zu reduzieren machen wir gerne Vortests mit den Ger\u00e4ten in der Prototypen Phase. Aktuell unterst\u00fctzen wir bei der Entwicklung eines Ger\u00e4tes zur Erfassung von Vitalparametern. 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