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Automotive-Stromversorgungs-Design

EMV-Herausforderungen erfolgreich angehen

15. April 2025, 11:27 Uhr | Redaktion: Irina Hübner

Aufgrund der Komplexität moderner mit einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme ausgestatteter Kfz ist EMI entscheidend bei der Entwicklung von Leistungsstufen für Fahrzeuge. Was es dabei zu beachten gibt, erklärt Nicola Rosano von Vicor.

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#1 Worüber muss man sich im Klaren sein, bevor man eine EMI-Herausforderung angeht?

EMI-Fehler zu beheben, erfordert solide praktische Erfahrung. EMV ist keine Zauberei. Einige Probleme können mit Hilfe entsprechender Fachbücher gelöst werden, andere wiederum nicht - diese erfordern eine Feinabstimmung des eigentlichen Systems. Die folgenden vier Aspekte bilden den notwendigen Hintergrund, um Fehler auf dem Prüfstand zu minimieren und Nutzern eine enorme Zeitersparnis zu ermöglichen:

Grundlagen der elektromagnetischen Verträglichkeit berücksichtigen
Elektrisches Rauschen wird in zwei Hauptkomponenten unterteilt: differentielles und Gleichtaktrauschen.
LISN (Line Impedance Stabilization Network) und seine Bedeutung für die EMI-Messung
EMI-Filterdesign: Ein akademischer Hintergrund ist gut, aber eine spezielle Schulung auf Branchenniveau ist effektiver. Die Entwicklung von EMI-Filtern könnte eine einfache Aufgabe sein, wenn die üblichen Schaltfrequenzen (zwischen 50 und 200 kHz) verwendet werden. Ist die Schaltfrequenz jedoch sehr hoch (jenseits von MHz wie beispielsweise bei den Modulen von Vicor), stoßen Entwickler auf die physikalischen Grenzen der Bauelemente und andere Komplikationen, was die Auswahl der Komponenten komplexer und schwieriger gestaltet.

Früher oder später stellt jeder Stromversorgungs-Entwickler fest, dass folgende drei Gründe eine Rückkehr auf den Prüfstand im letzten Moment verursachen können: thermische Probleme, sicherheitsrelevante Probleme oder ein hartnäckiges EMI-Problem (elektromagnetische Störungen). EMI ist vielleicht das am wenigsten vorhersehbare Problem, weil es sich als ein regelrechter »Ballon« entpuppt. Wenn man versucht, das Emissionsspektrum bei einer Frequenz »hineinzudrücken«, »wölbt« es sich bei einer anderen heraus. So kommt es häufig vor, dass die Einhaltung der Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen auf Kosten der Grenzwerte für abgestrahlte Emissionen geht und umgekehrt.

EMI in Stromversorgungen ist ein anspruchsvolles Gebiet, da viele nicht charakterisierte Parasiten auftreten, die alle behandelt werden wollen. Optimierungen auf dem Prüfstand lassen sich daher nicht völlig vermeiden. Die Regel lautet: Im EMV-Bereich müssen alle elektrischen Geräte nebeneinander existieren und »gute Nachbarn« sein – sie dürfen weder zu viele Störungen bei anderen verursachen noch übermäßig empfindlich auf die Störungen anderer reagieren.

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#2 Was sind die Hauptnachteile hoher leitungsgebundener und abgestrahlter Störungen?

EMI lässt sich in vier Bereiche unterteilen: leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen sowie die Anfälligkeit für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen.

Die beiden Hauptbereiche, in denen SMPS (Schaltnetzteile) Probleme verursachen, sind die ersten beiden: leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen. Die Nachteile hoher EMI lassen sich dabei wie folgt zusammenfassen: Elektromagnetische Interferenz (EMI), Belastung der Bauteile, Probleme mit der Einhaltung von Vorschriften (Konformität), HF-Störungen (RFI), Signalverzerrung, verringerter Wirkungsgrad. Aus diesem Grund sollten hohe EMI-Werte vermieden werden.

EMI ist aufgrund der Komplexität moderner Fahrzeuge, die mit einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme ausgestattet sind, ein wichtiges Thema bei der Entwicklung von Leistungsstufen für Fahrzeuge. Die größten Auswirkungen von EMI bei fahrzeugbasierten Leistungsstufen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Interferenz mit anderen Systemen

Störung der Fahrzeugelektronik: Fahrzeugsysteme wie Infotainment, Navigation, Motorsteuergeräte (ECUs), Sensoren (zum Beispiel ABS, Radar, Lidar) und Kommunikationssysteme (CAN, LIN usw.) können durch EMI gestört werden. Dies führt zu Fehlfunktionen oder Leistungseinbußen bei sicherheitskritischen und nicht sicherheitsrelevanten Systemen.
Kommunikationsstörungen: EMI kann die Kommunikationssignale zwischen verschiedenen Teilsystemen stören, was zu Problemen bei der Datenübertragung führt, insbesondere in modernen Fahrzeugen, die schnelle Netzwerke und Funkkommunikation nutzen.

Sicherheitsaspekte

Auswirkungen auf ADAS und autonome Systeme: Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrtechniken sind auf empfindliche Elektronik angewiesen. EMI kann Sensoren, Kameras und Steuersysteme stören und möglicherweise gefährliche Systemfehler verursachen.
Sensor-Ungenauigkeiten: EMI kann zu falschen Messwerten bei kritischen Sensoren führen (Näherungs-, Geschwindigkeits- oder Temperatursensoren) und so die Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs beeinträchtigen.

Design-Herausforderungen

Anforderungen an Layout und Abschirmung: Um EMI abzuschwächen, müssen das Layout der Leiterplatten sorgfältig geplant und Abschirmungstechniken angewendet werden, um abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen zu verhindern. Der Designprozess wird damit komplexer und die Herstellungskosten steigen.
Filterung und Entkopplung: Eine wirksame Filterung (mit Kondensatoren und Induktivitäten) ist unerlässlich, um EMI zu mindern. Entwickler müssen die Leistungsfilter und Entkopplungskondensatoren optimieren, um einen rauscharmen Betrieb zu gewährleisten, was die Designvorgaben zusätzlich erschwert.

Integrität und Effizienz der Stromversorgung

Schaltrauschen: Leistungsstufen, insbesondere solche mit hoher Schaltfrequenz (DC/DC-Wandler), können erhebliche EMI erzeugen. Dies kann benachbarte Systeme stören oder die Leistungsfähigkeit des Stromversorgungssystems selbst beeinträchtigen, was die Effizienz und Zuverlässigkeit verringert.
Wärmemanagement: EMI mit zusätzlichen Abschirm- oder Filterkomponenten zu reduzieren, kann die thermische Belastung erhöhen. Dies erfordert wiederum verbesserte Kühlungslösungen.

Die Einhaltung gesetzlicher Standards: der wichtigste Punkt auf der Liste. Ein Fahrzeug, dass nicht EMI-konform ist, kann nicht auf dem Markt gebracht werden.

Elektromagnetische Interferenz - mit Last und ohne Last

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#3 Was sind traditionelle Methoden und Kompromisse, um EMI zu beheben?

Die wichtigsten traditionellen Methoden und Kompromisse, um EMI zu beheben, lassen sich wie folgt zusammenfassen: Eingangs- und Ausgangsfilter, Abschirmung, Erdungstechniken, Dämpfungsschaltungen, Streuspektrum-Techniken und sanftes Schalten. Dabei muss ein Schwerpunkt auf einen angemessenen Erdungspfad sowie auf die Auswahl der Endstufentopologie und deren Steuerung gelegt werden.

Wenn eine Leistungsstufe hart schaltet, machen die daraus resultierenden hohen EMI- und Schaltverluste es schwierig oder fast unmöglich, hohe Schaltfrequenzen im MHz-Bereich zu erzielen. Ist zudem eine ordnungsgemäße Erdung nicht gewährleistet, kann EMI auf dem Prüfstand nur mit Filtern behoben werden. Das Layout ist kritischer als das Filterdesign. Dies erklärt auch, warum die Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen für die gesamte SMPS-Entwicklung und Serienfertigung so wichtig ist.

#4 Welches Bauteil kann als Prüfling (DUT) für eine eingehende EMI-Prüfung in Betracht gezogen werden?

Um dies richtig zu verstehen, ist eine Einführung in das zu prüfende Bauteil (DUT; Device Under Test) nötig. Der NBM 9280 ist ein gehäusemontierter, ungeregelter, nicht isolierter, bidirektionaler, hocheffizienter DC/DC-Wandler. Er wurde ausgewählt, weil er eine sehr hohe Schaltfrequenz aufweist, für den Fahrzeugbereich geeignet ist und einen Spitzenwirkungsgrad von 99 % bietet. Sein Einsatz findet sich hauptsächlich in der 800/400V-DC/DC-Wandlung in Fahrzeugen. Mit seinen kompakten Abmessungen von 92 mm x 80 mm deckt er einen Leistungsfluss von 30 kW ab.

Der NBM fungiert als Schnittstelle zwischen der DC/DC-Schnellladestation (400 V Nennspannung und außerhalb des Fahrzeugs platziert) und der HV-Batterie (800 V Nennspannung und innerhalb des Fahrzeugs platziert). Als ein Vorteil des NBM, abgesehen von der Stromteilungsfunktion, ermöglicht er OEMs, eine 800-V-Batterie einzusetzen, ohne den gesamten Antriebsstrang zu modifizieren, was Aufwand und Zeit einspart.

#5 Wie wirkt sich das Gleichtaktrauschen (CM) auf den Prüfling aus?

Misst man das Rauschen auf der Metallisierung in Bezug auf Masse (GND), weist dies eine Rechteckform auf, was dem Rauschen der schnellen HV-Knoten im Inneren des NBM ähnelt. Dieses Rauschen ist in Bezug auf die Höhe der Last stabil. Es scheint nahezu lastunabhängig zu sein, das heißt der Oberwellengehalt bleibt bei unterschiedlicher Last in etwa gleich.

Besteht eine direkte Verbindung zwischen der NBM-Metallisierung und dem LISN, kann ein Erdungsmessgerät verwendet werden. Wir können den Oberwellengehalt der Beschichtung gegenüber der Masse ermitteln. Hält man die Metallisierung zwischen dem Massepfad und der Metallisierung isoliert, lässt sich auch die CM-Komponente reduzieren und so das Gesamtrauschen bei der Prüfung der leitungsgebundenen Störungen verringern.

#6 Mit welchen Maßnahmen lässt sich Gleichtaktrauschen für den Prüfling beheben?

Verteilte Bypass-Kondensatoren verbessern die CM-Leistungsfähigkeit, indem das Rauschen reduziert wird. Dabei lässt sich auch nachweisen, dass durch eine verteilte Anordnung von Kondensatoren in der Nähe des Bereichs mit hohem dv/dt das CM-Rauschen sehr geringe Werte erreicht.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die AC-Rauschkomponente zu reduzieren, indem ein Ferritkern zum Einsatz kommt. Dieser umgibt die Stromleitungen, deren Ströme dann dazu neigen, sich gegenseitig zu beeinflussen. Der Ansatz reduziert die Restwelligkeit und hat großen Einfluss auf ein geringeres EMI-Spektrum. Der externe Ferrit hilft auch, eine unsymmetrische Stromverteilung zu reduzieren.

#7 Welche Filtertopologie hilft, CISPR-32-konform zu sein?

Die drei wichtigsten Filtertopologien sind: L-, Pi- und T-Typ. Jede dieser Topologien kann, wenn sie richtig ausgelegt ist, das Gesamtrauschen unter die zulässigen Grenzen senken. In unserem Beispiel kommt der L-Typ zum Einsatz, weil er sich einfacher und kostengünstiger auf dem Prüfstand umsetzen lässt.

#8 Was sind die Vor- und Nachteile einer hohen Arbeitsfrequenz?

Eine hohe Frequenz bei gleicher Leistung ermöglicht kleinere Bauelemente. Geringeres Gewicht und weniger Volumen sind sicherlich ein Vorteil. Auf der anderen Seite nehmen die Schaltverluste mit steigender Frequenz tendenziell zu. Eine gute Designstrategie ist die Wahl einer hohen Frequenz unter Beibehaltung einer resonanten Topologie. Resonanztopologien sind fortschrittliche SMPS, die die Schaltverluste unabhängig von der Frequenz auf Null setzen und so einen sehr hohen Wirkungsgrad erzielen.

#9 Was sind die wichtigsten Erkenntnisse für die Reduzierung von EMI?

Die wichtigsten Erkenntnisse aus der untersuchten Fallstudie unter Verwendung des NBM9280 sind:

Die Amplitude ungerader Oberschwingungen ist bei diesem Prüfling lastunabhängig. Die geradzahligen Oberschwingungen werden jedoch mit der Last zunehmen.
Bleibt die Metallisierung des NBM9280 von der Masse isoliert, verbessert sich das Ergebnis der leitungsgebundenen EMI. Der Anstieg der zweiten harmonischen Komponente wird durch den Einbau eines PI-Filters gemildert.
Um CISPR 25 Klasse 4 und 5 (strengere Grenzwerte) zu erfüllen, ist immer noch eine stärkere Dämpfung der ersten Harmonischen erforderlich. Eine Lösung ist der Einsatz eines anderen Ferritkerns an HI/PGND, was zu einer stärkeren Dämpfung der ersten Harmonischen führt. Man könnte auch einen zweistufigen Filter in Betracht ziehen.
Der Betrieb mit hoher Schaltfrequenz ermöglicht sehr kompakte Filterabmessungen.

Der Gesprächspartner

Nicola Rosano
kam im Jahr 2022 als Senior Strategic Field Application Engineer | Power Systems Expert – EMEA zu Vicor, wobei sein technischer Fokus auf Automotive Power Systems für Europa liegt. Zuvor war er unter anderem für Stellantis und Spacecraft tätig. Seinen Master-Studiengang in Elektrotechnik hat er an der Universität Kampanien »Luigi Vanviteli« in Neapel absolviert.