Design unter Spannung: EMV im Fokus komplexer Systeme

Elektronikdesigns standen schon immer im Spannungsfeld elektromagnetischer Störungen, doch selten war diese Herausforderung so kritisch wie heute. Zwischen steilflankigen GaN- und SiC-Schaltern, hochintegrierten Mixed-Signal-Systemen, wachsenden Funklasten und immer komplexeren Softwarearchitekturen entstehen Störlandschaften, die weit über das hinausgehen, was klassische EMV-Konzepte einst abdecken sollten. Die Konsequenz ist klar: EMI ist längst nicht mehr nur ein Ärgernis in der Prüfkammer, sondern entscheidet über Zuverlässigkeit, Sicherheit, Zulassung und die Marktchancen der Produkte.

Dabei wird der Druck gleich von mehreren Seiten erhöht. Elektronik wird dichter bestückt, Leiterplatten werden kleiner und komplexer, Baugruppen verschmelzen zu kompakten Modulen, und die Leistungsdichten steigen in Bereichen, die noch vor wenigen Jahren als ambitioniert galten. Ein SiC-Inverter im Automotive-Segment etwa produziert heute Strom- und Spannungsflanken, die nicht nur Schaltverluste reduzieren, sondern gleichzeitig hochenergetische HF-Anteile erzeugen. Digitale Steuergeräte arbeiten mit Taktnetzen, deren Harmonische in viele sensible Signalkanäle hineinreichen. Funkmodule, die früher als eigenständige Einheiten betrachtet wurden, sitzen inzwischen unmittelbar neben empfindlichen Analogfrontends. Dass dabei unbeabsichtigte Kopplungen entstehen, ist kaum zu vermeiden – und genau hier beginnt die eigentliche Arbeit.

Die physikalische Grundlage bleibt einfach – die Praxis nicht

Trotz aller Komplexität beruht jede EMV-Herausforderung auf dem klassischen Dreiklang aus Störquelle, Kopplungsweg und Störsenke. Theoretisch lässt sich das sauber analysieren, praktisch jedoch entstehen unzählige Kopplungspfade gleichzeitig: kapazitiv durch nahe Leiterbahnen, induktiv durch steile Stromanstiege, leitungsgebunden über gemeinsame Massebezüge oder differenzielle Rückströme und natürlich gestrahlt über jede versehentlich gebaute Antenne im System.

Stromversorgung; Netzteile als Herz der Elektronik

Netzteile sind längst mehr als nur Energiequellen. Sie beeinflussen Wirkungsgrad, Integration und Zuverlässigkeit moderner Systeme entscheidend. Neue Halbleiter, digitale Steuerung und EMV-Anforderungen machen sie zum zentralen Bestandteil jeder Entwicklung.

Die leitungsgebundenen Anteile spielen eine zentrale Rolle, vor allem bei leistungselektronischen Systemen. Common-Mode-Ströme entstehen bevorzugt dort, wo hohe dV/dt auftreten – also beim Schalten heutiger Halbleiter. Sie suchen sich stets den niederimpedantesten Weg, was häufig nicht derjenige ist, den der Entwickler im Layout geplant hat. Auch breitbandige Störspektren von Mikrocontrollern, Highspeed-Interfaces oder Gate-Treibern tragen ihren Teil bei. In dicht gepackten Designs überlagern sich diese Mechanismen und bilden ein Störnetz, das sich nur selten durch einen einzigen Eingriff entschärfen lässt.

Verstärkt wird die Problematik durch die zunehmende Interaktion der Domänen. Ein HF-Getakteter Sensorverstärker kann durch einen Inverter beeinflusst werden, der eigentlich in einem völlig anderen Funktionsblock arbeitet. Ein Ethernet-PHY kann im gleichen Frequenzbereich Störungen erzeugen, in dem eine EMV-Messung nach CISPR greifen muss. Und ein Sicherheitsmikrocontroller, der redundante Abschaltpfade verwaltet, ist nicht automatisch immun gegen Bursts und Surge-Impulse. Genau diese Überschneidungen machen EMI heute zu einem Querschnittsthema, das Entwicklungsteams unterschiedlichster Disziplinen früher zusammenbringen muss.

EMV-Normen als Leitplanke – und als Stolperstein

Wer elektromagnetische Verträglichkeit ignoriert, scheitert spätestens an den Normen. Sie sind das Fundament jeder Freigabe und definieren Grenzwerte, die nicht verhandelbar sind. Auf der emissionsseitigen Ebene zählen zu den wichtigsten Regelwerken die CISPR-Reihen 11, 22 und 32, im Automotive-Bereich CISPR 25. Für die Störfestigkeit sind die IEC-61000-4-Tests maßgeblich, etwa gegen elektrostatische Entladung, schnelle transiente Störgrößen, Überspannungsimpulse oder leitungsgeführte HF-Einkopplung.

Industrieelektronik fällt typischerweise unter die EN-61000-6-Reihe, die generische Anforderungen für Wohnumgebungen, Industriebereiche und EMV-schwere Anwendungen unterscheidet. Im Automobilsektor gelten zusätzlich ISO-Normen wie ISO 11452 und zahlreiche OEM-spezifische Standards, die oft härter prüfen als die internationalen Vorgaben.

Parallel dazu greifen funktionale Sicherheitsnormen wie IEC 61508 oder ISO 26262. Sie schreiben nicht nur vor, dass sicherheitsrelevante Systeme eine ausreichende Diagnose- und Fehlerabdeckung benötigen, sondern verlangen explizit Nachweise über die elektromagnetische Robustheit der Architektur. Ein Safety-System, das unter Burst-Störungen unkontrolliert reagiert, erfüllt seine Aufgabe nicht – unabhängig von seiner internen Redundanz.

Die Schwierigkeit liegt häufig nicht in der Existenz der Normen, sondern in ihrer Interpretation. Grenzwerte können je nach Produktkategorie variieren, Übergangszeiten zwischen alten und neuen Versionen sind nicht immer klar kommuniziert, und im Automotive-Bereich bieten OEMs oft eigene Testprofile an, die über internationale Vorgaben hinausgehen. Fehler in dieser Phase führen nicht selten zu verspäteten Zertifizierungen oder überarbeiteten Prototypen, die viel Geld und Zeit kosten.

Hochleistungskühlkörper sichern Systemstabilität

Die steigende Leistungsdichte heutiger Elektronik erfordert präzise Temperaturkontrolle. Hochleistungskühlkörper leisten dabei einen entscheidenden Beitrag zur Stabilität, Effizienz und Lebensdauer elektronischer Systeme in anspruchsvollen Anwendungen.

Wo es in der Praxis wirklich scheppert

Trotz aller Fortschritte in Tools, Simulationen und Guidelines stammen die meisten EMV-Probleme aus klassischen Konstruktionsfehlern. Häufig zerstückeln Entwickler Masseflächen, trennen analog und digital so konsequent voneinander ab, dass die Rückstrompfade unkontrolliert durch das gesamte System wandern. In vielen Designs wird unterschätzt, dass HF-Ströme nicht entlang der idealen Massefläche fließen, sondern entlang minimierter Impedanz. Wenn diese Impedanz zufällig eine Signalleitung, eine Gehäusekante oder ein Kabelbündel umfasst, entstehen Abstrahlmechanismen, die auf dem Papier nicht existierten.

Ebenso verbreitet sind zu große Schleifenflächen in Leistungsstufen. Selbst wenige Quadratzentimeter können im Bereich von mehreren Mikrohenry liegen und damit ausreichend Induktivität bieten, um in Kombination mit schnellen Stromanstiegen effektiv zu strahlen. Bei GaN- oder SiC-Schaltern reicht bereits eine minimale parasitäre Induktivität, um steile Flanken zu verzerren, Schaltspitzen zu erzeugen und Filter zu überfordern.

Leistungshalbleiter stehen im Zentrum der Energietechnik

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Auch die Wahl und Platzierung von Ferriten, Filtern oder Snubber-Netzwerken wird oft unterschätzt. Ein falsch dimensionierter Gleichtaktfilter kann sogar zusätzliche Resonanzen erzeugen, während ein Spannungs-Snubber, der zu weit entfernt von der Schaltstrecke sitzt, kaum Wirkung zeigt.

Ein Teil der Problematik ist organisatorisch: Mechanik, Elektronik und Firmware werden oft zu spät zusammengeführt. Eine Abschirmhaube kann nur funktionieren, wenn sie mechanisch sauber kontaktiert, elektrisch überzeugend angebunden und thermisch toleriert wird. Wenn die mechanische Konstruktion wenige Millimeter verschiebt, kann aus einer wirksamen EMV-Lösung eine reine Dekoration werden.

EMV: Warum das Layout heute wichtiger ist als jeder Filter

Die meisten EMV-Probleme lassen sich im Layout entschärfen oder vermeiden. Rückstrompfade müssen gezielt geführt werden, Masseflächen benötigen klare Prioritäten, und kritische Bereiche dürfen nicht zufällig entstehen. Eine großflächige, zusammenhängende Masseebene wirkt stabilisierend und reduziert Impedanzen über das gesamte Frequenzspektrum hinweg. Trennungen zwischen Domänen funktionieren wiederum nur, wenn sie sinnvoll gesetzt werden – etwa zwischen Leistungsteil und Signalverarbeitung – und nicht als reflexartige Maßnahme, um vermeintliche Störungen zu isolieren.

Entscheidend ist der Gesamtkontext des Designs: Welche Bauteile erzeugen Störungen, welche sind empfindlich, und wie verlaufen die signalführenden Bahnen zwischen ihnen? Ein gut gestalteter Gate-Drive, kurze Leitungswege zum Schalter, minimaler Loop-Area und sauber berechnete Snubber-Netzwerke wirken oft stärker als nachgeschaltete Filterketten. Je früher diese Überlegungen stattfinden, desto weniger muss später kompensiert werden.

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Filter und Abschirmung: Wirksam, aber kein Allheilmittel

Filter sind unverzichtbar – aber nur dann wirksam, wenn sie auf reale Messdaten abgestimmt werden. Viele Entwickler greifen zu Standardlösungen, die in Applikationshinweisen oder Datenblättern gut aussehen, im eigenen System aber nur begrenzt funktionieren. Der Grund ist einfach: Jedes Design besitzt eigene parasitäre Eigenschaften, die den realen Frequenzgang eines Filters beeinflussen. Gleichtakt- und Differenzialstörungen treten in unterschiedlichen Spektren auf, weshalb saubere Trennung und gezielte Dimensionierung nötig sind.

Abschirmungen wiederum wirken nur, wenn sie als durchgängiges Konzept umgesetzt sind. Ein Gehäuse als Schirmkörper ist nutzlos, wenn die Übergänge hohe Induktivitäten aufweisen oder Massepunkte fehlen. Auch transparente Beschichtungen, leitfähige Dichtungen oder metallisierte Kunststoffe müssen korrekt angebunden sein. Abschirmung ersetzt keine saubere Masseführung – sie lebt von ihr.

Wenn Software plötzlich EMV-Arbeit übernehmen muss

Mit der steigenden Komplexität aktueller Systeme verschiebt sich ein Teil der EMV-Kontrolle in die Software. Spread-Spectrum-Taktung verteilt die Energie über ein breiteres Frequenzband und verhindert scharfe Peaks in der Emission. PWM-Strategien können Flanken dämpfen und kritische Betriebszustände entschärfen. Dynamische Taktanpassungen reduzieren HF-Spitzen unter Volllast.

Im Automotive-Bereich werden solche softwarebasierten Maßnahmen zunehmend standardisiert. Sie haben den Vorteil, dass sie über Firmware-Updates angepasst werden können – ein Punkt, der in softwaredefinierten Architekturen wichtige Flexibilität bietet. Gleichzeitig entbinden sie die Hardware nicht von ihrer Verantwortung, sondern wirken ergänzend.

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Die sicherheitsrelevante Dimension der EMV

EMI und funktionale Sicherheit sind kein getrenntes Systemthema. Störungen können Sensorwerte verfälschen, Diagnosepfade stören, Steuergeräte zum Reset zwingen oder Kommunikationskanäle temporär lahmlegen. Ein Safety-System, das auf Redundanz setzt, muss deshalb sicherstellen, dass Störungen nicht beide Pfade gleichzeitig beeinflussen.

In der ISO 26262 wird EMV mittlerweile explizit adressiert. Safety-Argumentationen berücksichtigen nicht nur Fehler in Hardware und Software, sondern auch das Verhalten unter EMV-Stress. Ein System, das unter Burst-Einkopplung in einen unerwarteten Zustand fällt, gilt als nicht sicher – selbst wenn alle anderen Kriterien erfüllt sind. Die elektromagnetische Robustheit ist damit Teil der Sicherheitsarchitektur und keine nachgelagerte Testdisziplin.

Technologien, die das Spielfeld neu definieren

Zu den stärksten Treibern der aktuellen EMV-Herausforderungen zählen GaN- und SiC-Bauelemente. Ihre Schaltgeschwindigkeit erzeugt ein Störspektrum, das weit in den zweistelligen Megahertzbereich hineinragt und klassische EMV-Konzepte überfordert. Leistungsumrichter in Elektrofahrzeugen arbeiten zudem in Hochvoltarchitekturen, die neue Kopplungswege und zusätzliche Anforderungen an Isolations- und Schutzkonzepte mitbringen.

Parallel dazu führt die Miniaturisierung dazu, dass sensible Analogsektionen und störende Digitallogik zwangsläufig näher zusammenrücken. Auch der Trend zu immer mehr Funkstandards – von Bluetooth bis UWB – erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass interne Emissionen in Funkbänder eingreifen oder Antennen unbeabsichtigt Störungen aufnehmen. Die zunehmende Softwareorientierung verschiebt die Systemgrenzen und erschwert die Fehlerursachenanalyse zusätzlich.

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Erfahrungen aus realen Projekten

Viele der kritischsten EMV-Probleme lassen sich erst im Labor vollständig aufdecken. Ein DC/DC-Wandler, der bei CISPR-Tests scheitert, zeigt häufig eine Mischung aus Layoutschwächen, unzureichender Masseanbindung und unpassend dimensionierter Filter. In SiC-Invertern entstehen oft Störspitzen, weil der Gatetreiber zu aggressiv ausgelegt wurde oder das Snubber-Netzwerk parasitär zu hoch belastet ist. Funktionsstörungen in sicherheitsrelevanten Industrieanlagen wiederum resultieren meistens aus mangelnder Robustheit der Diagnosekette, die im Burstfall temporär aussetzt.

Auffällig ist, dass selten nur ein einziger Fehler ausschlaggebend ist. In der Regel handelt es sich um eine Kette kleiner Unachtsamkeiten, die sich gegenseitig verstärken. Genau deshalb lohnt es sich, EMV nicht als finalen Testschritt, sondern als kontinuierlichen Entwicklungsprozess zu begreifen.

Störungsarmes Design als strategischer Vorteil

Wer robuste Elektronik entwickeln will, muss EMV und Sicherheit als integrierte Disziplinen behandeln. Frühzeitige Planung, konsequente Layoutführung, realitätsnahe Messungen und die Kombination aus Hardware- und Softwaremaßnahmen sind heute entscheidend. Normen dienen dabei nicht nur als Verpflichtung, sondern als Werkzeug, das hilft, Systeme zuverlässig und berechenbar zu machen.

Je früher EMV-Aspekte berücksichtigt werden, desto weniger müssen später kostspielige Kompensationen erfolgen. In einer Zeit, in der Elektronik immer dichter, schneller und sicherheitskritischer wird, ist ein störungsarmes Design nicht nur Voraussetzung für die Zulassung, sondern ein entscheidender Qualitätsfaktor – und damit ein Wettbewerbsvorteil.