Ein deutscher Automotive-Tier-1-Zulieferer stand vor einer kritischen Projektentscheidung: Der 48-V-auf-12-V-DC-DC-Wandler für eine Elektrofahrzeugplattform musste die CISPR-25-Class-5-Leitungsgebundene-Störaussendung bestehen – den strengsten automobilen EMI-Standard. Die erste Vorprüfung im EMV-Labor von TPS Elektronik zeigte übermäßige Störungen im AM- und FM-Rundfunkbereich, mit Spitzenwerten, die die Class-5-Grenzwerte um mehr als 10 dBμV überschritten. Die Ursache? Ein schlecht implementiertes Split Ground Plane und eine suboptimale Platzierung des Common Mode Choke, die die Leiterplatte in eine unbeabsichtigte Antenne verwandelten.
Diese Fallstudie dokumentiert, wie unser Engineering-Team den Kunden durch gezielte Layout-Optimierungen führte – Ground-Plane-Stitching, Choke-Umplatzierung und Filter-Netzwerk-Optimierung – um die CISPR-25-Class-5-Konformität ohne kostspieligen Board-Neudesign zu erreichen. Für Systemintegratoren, Schaltschrankbauer und Elektroingenieure, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen, bietet die Fallstudie einen praktischen Fahrplan für den automobilen EMV-Erfolg with EMC layout guidelines.
1. Die Herausforderung: CISPR 25 Class 5 Leitungsgebundene Störaussendung nicht bestanden
Der Kunde – ein deutscher Automotive-Tier-1-Zulieferer – wandte sich mit einem Problem an TPS Elektronik. Ihr 48-V-auf-12-V-DC-DC-Wandler, entwickelt für eine Elektrofahrzeugplattform, hatte die Prüfung der leitungsgebundenen Störaussendung in einem akkreditierten Labor nicht bestanden. Das Projekt war im Verzug, und ein zweiter Fehlschlag hätte eine obligatorische Leiterplatten-Neukonstruktion ausgelöst, die Hunderttausende Euro an Werkzeug- und Validierungskosten verursacht hätte.
CISPR 25 Class 5 ist der strengste automotive EMI-Standard mit Grenzwerten, die darauf ausgelegt sind, Fahrzeugempfänger vor Störungen durch elektronische Komponenten und Module zu schützen. Leitungsgebundene Störaussendungen werden von 150 kHz bis 108 MHz mit einem Line Impedance Stabilization Network (LISN) gemessen, das zwischen Stromversorgung und Prüfling geschaltet wird. Der Standard definiert fünf Klassen, wobei Class 5 die anspruchsvollste ist – die Spitzen-Grenzwerte im FM-Rundfunkband (76–108 MHz) betragen nur 38 dBμV.
Das Design des Kunden verwendete eine 4-lagige Leiterplatte mit einem Split Ground Plane zur Trennung der digitalen/Leistungs-Domäne von der empfindlichen Analogschaltung. Ein Common Mode Choke wurde am DC-Eingang zur Filterung der leitungsgebundenen Störungen platziert. Dennoch überschritten die Störungen bei 80–90 MHz konsequent den Class-5-Mittelwert-Grenzwert um mehr als 10 dBμV.
Die EMV-Laborleistungen von TPS wurden für die Ursachenanalyse und Vorprüfung engagiert. Unser Team brachte den Prüfling in unser EMV-Labor in Shanghai, das für CISPR-25-Vorprüfungen mit kalibrierten LISNs, Spektrumanalysatoren und CISPR-16-1-1-konformen Messempfängern ausgestattet ist.
2. Split Ground Plane: Die versteckte Antenne
Unser erster diagnostischer Schritt war ein Nahfeld-Scan der Leiterplatte. Die Ergebnisse waren aufschlussreich: Die Störungen konzentrierten sich auf die Grenze zwischen der digitalen/Leistungs-Massefläche und der analogen Massefläche. Die Unterteilung der Massefläche – gedacht zur Isolation von störenden digitalen Strömen von empfindlichen Analogschaltungen – hatte eine Impedanz-Diskontinuität erzeugt.
Bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz wirkt der durch das geteilte Ground Plane gebildete Schlitz als wirksame Antenne. Hochfrequente Rückströme, die nicht direkt unter ihren Signalleitungen fließen können, werden gezwungen, alternative Wege um die Teilungsgrenze zu finden. Diese Umwege erzeugen große Schleifenflächen, die elektromagnetische Energie abstrahlen.
Bei automobilen Mixed-Signal-Leiterplatten übertrifft eine durchgehende, ununterbrochene Massefläche mit disziplinierter Bauteilplatzierung typischerweise geteilte Massearchitekturen. Wenn jedoch eine Isolation zwischen analogen und digitalen Domänen unbedingt erforderlich ist, muss die Teilung sorgfältig verwaltet werden:
- Stitching-Vias müssen in Intervallen von 10–15 mm entlang der Teilungsgrenze platziert werden, um hochfrequente Rückstrompfade bereitzustellen.
- Signalleitungen dürfen die Teilung nicht überqueren – jede Leitung, die eine Masseflächenteilung überquert, zwingt ihren Rückstrom, einen längeren Weg zu finden, wodurch eine abstrahlende Schleife entsteht.
- Hochgeschwindigkeitssignale (CAN, Automotive Ethernet, LVDS) sollten über einer durchgehenden Massefläche mit kontrollierter Impedanz geführt werden.
Unsere Analyse ergab, dass die Leiterplatte des Kunden Stitching-Vias mit einem Abstand von 40–50 mm hatte – viel zu weit für ein effektives hochfrequentes Rückstrommanagement. Darüber hinaus überquerte eine kritische Taktsignalleitung die Teilungsgrenze und erzeugte eine erhebliche abstrahlende Schleife bei ihren harmonischen Frequenzen.
Der EMV-Testleitfaden von TPS bietet zusätzliche Details zu Ground-Plane-Designprinzipien. Unsere EMV-Test-Kundenfallstudien zeigen, wie wir ähnliche Probleme für andere Automotive-Kunden gelöst haben.
3. Common Mode Choke Platzierung: Der Abstand macht den Unterschied
Das zweite Problem, das bei unserer Vorprüfung identifiziert wurde, war die Platzierung des Common Mode Choke am DC-Eingang. Ein Common Mode Choke unterdrückt Gleichtaktstörungen – unerwünschte Ströme, die in gleicher Richtung auf der Versorgungs- und der Rückleitung fließen. Er lässt Differenzsignale passieren, während er Gleichtaktstörungen eine hohe Impedanz entgegensetzt.
Die Wirksamkeit eines Common Mode Choke hängt jedoch entscheidend von seiner Platzierung auf der Leiterplatte ab. Der Choke muss so nah wie möglich am I/O-Steckverbinder (der Quelle oder dem Austrittspunkt der Störungen) platziert werden. Wenn er zu weit „im Inland“ platziert wird, wirken die Leiterbahnen zwischen Steckverbinder und Choke als Antennen und strahlen Störungen ab, bevor sie den Filter erreichen.
Im Design des Kunden befand sich der Common Mode Choke mehr als 30 mm vom DC-Eingangssteckverbinder entfernt. Die dazwischenliegenden Leiterbahnen – etwa 30 mm Kupfer auf der Leiterplatte – strahlten leitungsgebundene Störungen bei 80–90 MHz ab, was die anhaltende Störungsspitze erklärt.
Zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten wurden identifiziert:
- Filterkondensatoren (sowohl Gegentakt- als auch Gleichtakt) sollten auf beiden Seiten des Choke platziert werden.
- Ferritperlen auf Versorgungsleitungen können zusätzliche hochfrequente Dämpfung bieten.
- Die Schleifenfläche des Eingangsleistungspfads minimieren – der Abstand zwischen der Versorgungsleitung und ihrem Rückweg sollte so klein wie möglich sein.
Bei automobilen DC-DC-Wandern besteht die leitungsgebundene EMI-Störung im Bereich 150 kHz bis 30 MHz hauptsächlich aus Schaltfrequenz-Oberschwingungen. Oberhalb von 30 MHz wird die Nahfeldstrahlung dominant und EMI-Filter werden aufgrund parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten weniger wirksam – was die Layout-Optimierung noch kritischer macht.
Der EMV-Konformitätsleitfaden und die EMV- und elektrischen Sicherheitsprüfungsressourcen von TPS bieten umfassende Anleitungen zur Filterplatzierung und zum PCB-Layout für Automotive-Anwendungen.
4. Der Vorteil der Vorprüfung: Probleme frühzeitig erkennen
Diese Fallstudie zeigt, warum die Vorprüfung für die Entwicklung von Automobilelektronik unerlässlich ist. Die formelle CISPR-25-Prüfung in akkreditierten Laboren ist teuer und zeitkritisch. Ein einziger Fehlschlag kann Tausende Euro an Nachprüfungsgebühren und Wochen an Verzögerungen kosten.
Die EMV-Laborleistungen von TPS Elektronik sind darauf ausgelegt, dieses Risiko zu reduzieren. Unser Vorprüfungsansatz umfasst:
- EMV-Messungen in der frühen Phase an Prototypen vor der formellen Prüfung.
- Design-for-EMV-Beratung während der PCB-Layout-Phase.
- Ursachenanalyse von Störungsausfällen mit Identifizierung spezifischer Layout-Probleme.
- Strukturierte Prüfberichte mit Dokumentation der Ergebnisse und empfohlenen Maßnahmen.
Unser Labor ist für CISPR-25-Prüfungen der leitungsgebundenen und gestrahlten Störaussendung sowie für Störfestigkeitsprüfungen nach ISO 11452 und ISO 7637 ausgestattet. Wir unterstützen Automotive-, Industrie-, Medizin- und Unterhaltungselektronikanwendungen.
Für diesen Kunden identifizierte die Vorprüfung die Probleme mit dem Split Ground Plane und der Common-Mode-Choke-Platzierung an einem einzigen Tag. Die empfohlenen Modifikationen – Hinzufügen von Stitching-Vias, Umplatzierung des Choke und Umleitung des Taktsignals – wurden in der nächsten PCB-Revision umgesetzt. Der Kunde kehrte für eine zweite Runde der Vorprüfung zurück, die bestätigte, dass die Störungen nun deutlich unter den Class-5-Grenzwerten lagen.
5. Ergebnisse: CISPR 25 Class 5 mit Layout-Optimierungen bestanden
Der Kunde setzte die folgenden Modifikationen basierend auf unseren Empfehlungen um:
- Ground-Plane-Stitching: Hinzufügen von Stitching-Vias im Abstand von 12 mm entlang der Teilungsgrenze, um hochfrequente Rückstrompfade bereitzustellen.
- Common-Mode-Choke-Umplatzierung: Verschiebung des Choke auf innerhalb von 5 mm zum DC-Eingangssteckverbinder, um die abstrahlende Leiterbahnlänge zu minimieren.
- Taktsignal-Umleitung: Umleitung des kritischen Taktsignals über eine durchgehende Massefläche, um die Teilungsüberquerung zu eliminieren.
- Zusätzliche Filterkondensatoren: Hinzufügen von 100-nF- und 1-nF-Kondensatoren auf beiden Seiten des Common-Mode-Choke für Gegentakt- und Gleichtaktfilterung.
Nach den Modifikationen kehrte der Kunde für eine zweite Runde der Vorprüfung in das EMV-Labor von TPS zurück. Die Ergebnisse waren eindeutig:
- Die Störungen bei 80–90 MHz wurden um mehr als 15 dBμV reduziert.
- Alle Frequenzbänder lagen nun mindestens 6 dB unter den CISPR-25-Class-5-Mittelwert-Grenzwerten.
- Das Design bestand die formelle CISPR-25-Prüfung der leitungsgebundenen Störaussendung im akkreditierten Labor beim ersten Versuch.
Der Kunde vermied eine kostspielige Leiterplatten-Neukonstruktion und hielt den Projekttermin ein. Die Gesamtkosten der TPS-Vorprüfungs- und Beratungsleistungen waren ein Bruchteil der Kosten eines einzigen formellen Zertifizierungsfehlschlags.
Weitere Automotive-EMV-Fallstudien finden Sie in unserem kombinierten EMV- und elektrischen Sicherheitsprüfungsfall und unserem EMV-Prüfungs-Kooperationsfall.
