Induktive Bauelemente Maßgeschneiderte Speicherdrosseln

Die Auswahl an induktiven Bauelementen ist enorm. Anders als beispielsweise bei Chip-Widerständen haben sich - mit Ausnahme vielleicht bei Chip-Induktivitäten - kaum genormte Bauformen gebildet. Die Folge ist, dass Hersteller sehr kreativ beim Design von Speicher- und Filterspulen zu Werke gehen.

Über die letzten Jahre hinweg haben hauptsächlich die Anforderungen der mobilen Unterhaltungselektronik das Design neuer Bauformen im Bereich der Speicherdrosseln geprägt.

Für Hersteller von Industrieelektronik spielen jedoch neben einer kleinen Bauform weitere Faktoren eine entscheidende Rolle. Diese sollen im Folgenden am Beispiel der »DM«-Reihe von ABC Taiwan näher beschrieben werden (Bild 1). Diese Spulenserie hat der Hersteller auf Anregung von MPS (Monolithic Power Systems), einem Hersteller von DC/DC-Wandlern, speziell für den europäischen Industrieelektronik-Markt optimiert.
Die Anforderungen mobiler Unterhaltungselektronik unterscheiden sich wesentlich von denen der Industrieelektronik. Hier gilt es, möglichst kleine Bauteile leichter Bauart zu verwenden, dort geht es um größtmögliche Effizienz. Dazu wählt die Industrieelektronik meist etablierte, qualitativ hochwertige Produkte mit langen Produktlebenszyklen, während es zum Beispiel der schnelllebigeren Smartphone-Branche leichter fällt, auf Abkündigungen und Produktänderungen zu reagieren. Demgegenüber fordert der europäische Markt für Industrieelektronik kurze, aber verlässliche Lieferzeiten, verbunden mit ausgeklügelten Logistiksystemen, wie sie Distributoren wie Endrich leisten.
Natürlich ist es schön, immer effizientere Bauelemente in noch kleineren Gehäusen einsetzen zu können. Gerade bei Induktivitäten spielt jedoch neben dem verwendeten Material die zur Verfügung stehende Geometrie eine entscheidende Rolle für die Performance. So müssen Kerndurchmesser und Drahtstärke sinnvoll aufeinander abgestimmt werden, um bei der jeweiligen Anwendung den zur Verfügung stehenden Raum für die Wicklung optimal auszunutzen. Für einen Einsatz in nicht-tragbaren Geräten empfiehlt es sich daher, ein etwa würfelförmiges Design auszunutzen. Daher misst die DM-Reihe 6 mm x 6 mm x 3 mm oder 6 mm x 6 mm x 5 mm.

Einfluss des Materials

Hersteller von DC/DC-Wandlern, darunter auch MPS, empfehlen den Einsatz von Speicherdrosseln mit ausreichenden Reserven beim Sättigungsstrom. Dadurch lässt sich vermeiden, dass Sättigungserscheinungen der Spule den Schaltkreis bei auftretenden Spitzenströmen negativ beeinflusst. In vielen Multimedia-Anwendungen finden daher spezielle, gepresste Eisenpulverkern-Spulen Verwendung, die enorm hohe Sättigungsströme ausweisen.
Jedoch bringen diese gepressten Eisenspulen auch Nachteile mit sich, so zum Beispiel höhere Kernverluste bei höheren Schaltfrequenzen sowie ein recht großes Streufeld in horizontaler Richtung, was im Hinblick auf EMV nicht optimal ist. Bei der DM-Serie von ABC ist der Ferritkern (Drum Core) aus MnZn. Dieses Kernmaterial hat gegenüber NiZn eine höhere mag-netische Flussdichte (Bsat), die je nach genauer Zusammensetzung im Bereich von etwa 450 mT liegt. Durch die höhere magnetische Flussdichte wird durch die Kombination von NiZn als Schirmring und MnZn als Ferritkern ein um etwa 30% höherer Sättigungsstrom gegenüber Standard-Speicherdrosseln erreicht, bei denen der Schirmring und der Ferritkern der Drossel jeweils aus NiZn/NiZn realisiert werden (Tabelle 1).

Parameter DH5028 DM5028 Bemerkung 
Induktivität 10 µH10 µHTestfrequenz: 100 kHz (DH), 500 kHz (DM) 
KernmaterialNiZnMnZnMnZn mit Coating auf dem Kern
Nennstrom2,3 A2,5 A∆T = 40 K
Sättigungsstrom1,7 A2,3 A∆L/L0: 35 % (DH), 10 % (DM)
DC-Widerstand 70 mΩ 67 mΩ max. 
Tabelle 1: Vergleich zweier Spulen aus NiZn (DH5028) und MnZn (DM5028) als Kernmaterial (6 mm x 6 mm x 3 mm)

Beide Spulen haben einen Nennstrom von mehr als 2 A. Dieser Wert basiert auf DC-Strömen die zu einer Erwärmung der Spulen um 40 K führen. Dies sind also Angaben zu den DC-Stromverlusten und den thermischen Eigenschaften der Spulen. In Schaltregler-Anwendungen entstehen jedoch zusätzlich frequenzabhängige Verluste in der Wicklung aufgrund des Proximity- und Skin-Effekts und im Kernmaterial aufgrund der Ummagnetisierung durch den Ripple-Strom. Maßgeblich für DC/DC-Anwendungen ist der Sättigungsstrom - dieser muss, je nach Auslegung der Schaltung, 10% bis 20% höher als der mittlere Spulenstrom liegen. 
Das Design der DM-Reihe legt den Fokus auf beste Stromverträglichkeit. Aufgrund der Materialeigen-schaften weist die Spule eine verbesserte thermische Strombelastbarkeit auf.

Dem Kernmaterial anzulasten ist die scharf abfallende Induktivität, wenn der Sättigungsstrom Isat erreicht ist (Bild 2). Um dem entgegenzuwirken, sind die Werte zum Isat mit Induktivitätsrückgang von 10% definiert: ∆L/L0 = 10%.
Bei vielen modernen Wandlern sind Taktfrequenzen von 300 kHz bis 500 kHz keine Seltenheit. Aus diesem Grund hat der Hersteller ABC auch die Messmethode der Nenninduktivität angepasst. Während üblicherweise bei 100 kHz getestet und spezifiziert wird, hebt sich das Design der DM-Reihe vom Standard ab und verwendet zum Testen stattdessen die der tatsächlichen Einsatzbedingungen ähnlichere Frequenz von 500 kHz.

Kopfüber zum besseren Luftspalt

Dem Design der DM Reihe liegt das sogenannte »Top-down-Orienta-tion«-Prinzip zugrunde. Der mit Kupferlackdraht bewickelte MnZn-Kern 
wird dabei kopfüber automatisch im Schirmring zentriert. Da sich der Kern dadurch automatisch zentriert, entsteht ein gleichmäßiger Luftspalt, wodurch engere Toleranzen für die Induktivität von typischerweise ±20% (vgl. Standarddesign »SH«-Reihe: ±30% (typ.)) spezifiziert werden können.
Wenn man nun noch den Sättigungsstrom in Abhängigkeit von der 
Temperatur betrachtet und davon ausgeht, dass dieser über die Temperatur nochmals bis zu 20% abnimmt, muss in einer Worst-Case-Betrachtung für solch eine Spule etwa 40% Reserve einkalkuliert werden. Durch den konstruktionsbedingt gleichmäßigen Luftspalt der DM-Reihe zwischen Schirmring und Ferritkern ist die Streuung des Sättigungsstroms sehr klein, sodass sich die zu berücksichtigende Reserve deutlich reduziert. Wer diesen Vorteil zu seinen Gunsten auszunutzen weiß, kann damit platzsparende und kostenoptimierte Lösungen erreichen.

Der Luftspalt befindet sich an der Unterseite der Spule und reduziert dadurch in vielen Fällen das durch die Spule erzeugte Streufeld, was oft zu Vorteilen bei der EMV-Abnahme führen kann. Um die abisolierten Enden des Kupferlackdrahtes mit der Anschlussmetallisierung zu verbinden, sind diese oben am Bauelement herausgeführt. Eine Beschädigung der teils sehr dünnen Drähte im Lötprozess lässt sich damit ebenfalls ausschließen (Bild 3).
Die Produkte von ABC Taiwan sind RoHS- und Reach-konform, halogenfrei, sowie lötbar nach JEDEC-020-C. Die DM-Reihe von ABC sind als Muster und Mustersortimente bei Endrich ab sofort bestellbar, als Serienprodukt ab dem vierten Quartal 2013.

Vorteile im System

Die Speicherdrosseln der DM-Reihe kommen im »MPQ4420« von MQS (Vertrieb: Endrich) zum Einsatz, einem synchronen Abwärtswandler im SOT23-8 Gehäuse mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 36 V (Bild 4). Die beiden internen MOSFETs haben einen Widerstand von 60 mΩ bzw. 100 mΩ. Die Schaltfrequenz liegt bei 450 kHz, aber sie lässt sich auch im Bereich von 200 kHz bis 2,2 MHz extern synchronisieren.

In Abwärtswandler-Anwendungen wird die Induktivität meist für einen Ripple-Strom von 30% bis 40% des maximalen Laststroms ausgelegt. Diese Auslegung stellt einen guten Kompromiss zwischen Wickel- und Kernverlusten dar. Die Spule muss also einen Sättigungsstrom von ca. 120% des Laststroms bieten. Hier liegt der Vorteil der DM5028 gegenüber NiZn-Spulen.
In 
Bild 5a ist für die Spule »DH5028« bei einem Laststrom von 1,85 A am Ende der Aufmagnetisierungszeit ein deutlicher Sättigungseffekt zu erkennen.

In diesem Arbeitspunkt sollte die Spule nicht dauerhaft betrieben werden.
In Bild 5b zeigt die DM5028 Sättigungseffekte erst bei etwa 2,25 A Laststrom. Diese Spule bietet in dieser Abwärtswandlung von 24 V auf 3,3 V also einen 400 mA höheren Ausgangsstrom als die NiZn-Spule DH5028 gleicher Bauform.

In einer Anwendung mit industriellem Temperaturbereich kann die Spule, mit entsprechenden Reserven, für einen Dauerstrom von etwa 1,6 A eingesetzt werden, gewährleistet aber auch bei Lastspitzen bis 2,2 A einen sicheren Betrieb der Schaltung.
Bild 5c
zeigt die NiZn-Spule DH5028 bei einem Laststrom von 2,2 A - es ist eine massive Sättigung zu erkennen.

Eine Aussteuerung in diesen Arbeitspunkt würde keinen zuverlässigen Betrieb der Schaltung mehr bieten.
Die DM5028 bietet durch das Kernmaterial MnZn eine höhere Effizienz als die DH5028 aus NiZn (
Bild 6). Die MnZn-Spule reduziert also auch die Eigenerwärmung der Schaltung etwas.

Über die Autoren:

Tobias Jung ist Produktmanager bei Endrich Bauelemente und Jens Hedrich ist Field Application Engineer bei Monolithic Power Systems.