EMI in Automotive-Schaltungen besiegen: 5 Experten-Design-Tipps

Elektrische Produkte erzeugen inhärent EMI (elektromagnetische Störungen). Multifunktionale Elektronik erfüllt vielfältige Nutzererwartungen, generiert aber auch EMI-Probleme, die Gesundheit und Umweltsicherheit direkt bedrohen. Im Automobilbereich ist EMI besonders ausgeprägt: Es beeinträchtigt externe Funkgeräte und stört fahrzeugeigene Elektronik. Verständnis von EMI und präventive Designmaßnahmen sind daher essenziell.

EMI-Analyse in Automotive-Schaltungen

EMI tritt in elektronischen Produkten allgegenwärtig auf – zwischen Geräten, Bauteilen und Systemen. Die Ursachen sind vielfältig, doch der Kern ist oft elektrostatische Entladung (ESD). Störanfälligkeit elektronischer Schaltungen durch ESD hat zwei Hauptquellen: unvernünftig designte Verteilungsparameter in der Schaltung und Umwelteinflüsse, die die Schaltungsstabilität mindern.

Automotive-EMI stammt primär von fahrzeugeigenen elektrischen Geräten. Übertragungsarten: Leitungsgebunden (Konduktion) und gestrahlt (Radiation). Störquellen: Leitungsnetz-Störungen, ESD, elektromagnetische Strahlung.

• Leitungsnetz-Störungen stammen von fahrzeuginternen Elektronikgeräten, die Impulssignale erzeugen, die als elektromagnetische Wellen im Bordnetz strahlen und externe Funkempfänger stören.
• Elektromagnetische Strahlungsstörungen entstehen durch plötzliche Änderungen (Impulse) beim Ein-/Ausschalten von Schaltungen. Besonders bei induktiven/kapazitiven Lasten entstehen transiente Hochspannungen mit hohem Frequenzanteil. Dies beeinträchtigt nicht nur bordeigene Funkempfänger, sondern kann auch fahrzeugeigene Elektronik beschädigen.

Alle fahrzeuggenutzten Electronic Control Units (ECUs) benötigen stabile Spannungsversorgung. Spannungsschwankungen im Bordnetz führen sofort zu Fehlfunktionen elektronischer Module.

5 Design-Tipps zur EMI-Unterdrückung in Automotive-Schaltungen

Um Fahrzeuganomalien durch EMI zu verhindern, sind präventive Maßnahmen erforderlich, die EMI unterdrücken oder minimieren – für sichere, zuverlässige Fahrzeug- und Elektronikfunktion.

Tipp 1: Leitungsgebundene EM-Störungen reduzieren

• Schleifenfläche jedes Stromkreises minimieren.
• Bei EMI durch Streuinduktivität von Transformatoren: Magnetische Abschirmung des Transformators + Schleifenflächenminimierung.
• Bei stark betroffenen Schaltungen: Differenzielle Signalführung (Doppelleitungen) zur EMI-Reduktion.

Tipp 2: Bordnetz-Störungen verhindern

• Leitungen zwischen fahrzeugelektrischen Geräten kurz halten; nicht parallel oder nah beieinander verlegen.
• Rationelles Leiterrouting ist essenziell zur Unterdrückung von Bordnetz-Störungen.
• Leistungsfilterkondensatoren vergrößern; RC-Entkopplungsschaltungen hinzufügen, um Kopplung zu reduzieren.

Tipp 3: Elektromagnetische Strahlungsstörungen verhindern

• R-C-D-Schutznetzwerke implementieren.
• Effektive transiente Schutzmaßnahmen an der Störquelle: Reduzieren Strahlung kapazitiver Lasten und schützen/steuern deren Kontaktpunkte.
• Metallische Abschirmung einsetzen.

Jede Feldstörung lässt sich durch Abschirmung unterdrücken.

• Im Mobilfunk-Frequenzbereich wird Aluminium für EM-Abschirmung bevorzugt. Durch Hochfrequenz-Skin-Effekt muss die Abschirmung nicht dick sein.
• Kontaktlose Zündung (verteilerlose Zündsysteme) eliminiert Störquelle und reduziert elektromagnetische Strahlung.

Tipp 4: Abschirmung konsequent anwenden

Abschirmung ist hocheffektiv gegen EM-Störungen. Materialien mit hoher Leitfähigkeit dienen als Schirm. Bewiesen: Hochfrequenz-Feldabschirmung funktioniert bestens mit hochleitfähigen Materialien (Stahl, Aluminium); Niederfrequenz-Feldabschirmung erfordert hohe magnetische Permeabilität (Magnetstahl, Eisen, Beryllium-Legierungen). Funken- oder Lichtbogen-erzeugende Geräte müssen metallisch abgeschirmt werden, um negative EMC-Effekte (Elektromagnetische Verträglichkeit) zu eliminieren.

Tipp 5: Filtern als effiziente EMI-Kontrollmethode

Filter sind die gängigste Methode zur EMI-Bekämpfung und wehren EMI ab, die direkt über Signal-/Versorgungswege eindringt. Eine entscheidende Anti-EMI-Maßnahme ist die Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands (Signalamplitude). Schwache Sensorsignale können durch Verstärkung (Erhöhung der Amplitude) drastisch unempfindlicher gegen EMI gemacht werden.

EMI in Automotive-Schaltungen verkürzt Fahrzeuglebensdauer und gefährdet Fahrsicherheit. Zahlreiche präventive Maßnahmen minimieren den EMI-Einfluss auf Fahrzeugelektronik – für sichere, zuverlässige Fahrzeugfunktion.

Artikel von Dora Yang, Redakteurin bei PCBCart. Ursprünglich veröffentlicht in Elektronik Industrie Magazin, Ausgabe 11/2017, S. 74–76.

Weiterführende Ressourcen

• High-Speed-PCB-Routing-Techniken zur EMI-Reduktion
• Automotive-PCB-Eigenschaften und Design-Überlegungen
• 5 bewährte Wege zur Beurteilung der Zuverlässigkeit von Automotive-PCB-Herstellern
• SMT-Lötzuverlässigkeits-Forschung basierend auf Schaltmodulen in der Automotive-Elektronik
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