Advertorial: Würth Elektronik
Pulsbelastbare SMD-Ferrite stecken Stromspitzen besser weg
Chip-Bead-Ferrite sind aufgrund ihres Mehrschichtaufbaus anfällig für Stromspitzen, wie sie typischerweise beim Einschaltvorgang von Schaltnetzteilen oder Elektromotoren vorkommen. Mit einem optimierten Lagendesign lässt sich gegensteuern und die Resilienz gegenüber Stromspitzen steigern.
Chip-Bead-Ferrite sind Induktivitäten, die im Siebdruckverfahren hergestellt werden und typischerweise bei der EMV-Filterung Einsatz finden. Das Bauelement besteht aus einem Nickel-Zink-Ferrit und verfügt über eine innere Silberlage von wenigen Mikrometern Dicke. Dieser Aufbau macht den klassischen SMD-Ferrit anfällig für Stromspitzen oberhalb des maximalen Nennstroms. Diese können zur Schädigung oder sofortigen Zerstörung des Bauteils führen. Daher gilt für SMD-Ferrite im Allgemeinen, dass der maximale Nennstrom im Datenblatt auch die größte zulässige Stromamplitude bei kurzzeitiger Belastung definiert.
Mit der Bauteilserie WE-MPSB ist jedoch eine Reihe von Multilayer-Ferriten [1] verfügbar, deren Datenblätter eine separate Spitzenstrombetrachtung bieten. Würth Elektronik hat für diese Produkte ein optimiertes Lagendesign mit dem Ziel entwickelt, hohe Ströme, einen um bis zu 75 % reduzierten Gleichstromwiderstand RDC und eine möglichst hohe Impedanz über das komplette Frequenzspektrum zu erreichen.
Bild 1 zeigt eine typische Anwendung: Der Multilayer-Ferrit am Eingang der Schaltung wird als Längsfilter eingesetzt. Im Einschaltmoment fließt aufgrund des niedrigen Einschaltwiderstands des Kondensators kurzzeitig ein sehr hoher Pulsstrom. Dieser belastet den SMD-Ferrit kurzzeitig mit einem Vielfachen des spezifizierten maximalen Nennstroms. In diesem Beispiel hat der optimierte Multilayer-Ferrit, der bei Würth Elektronik als „Multilayer Power Suppression Bead“ (kurz MPSB) bezeichnet wird, eine Impedanz von 600 Ω bei einer maximal erlaubten Nennstrombelastung von 2,1 A. Die einmalige Stromspitze erreicht in dieser Konstellation einen Wert von circa 19 A, und es dauert 0,8 ms, bis sie auf den Nennstrom der Schaltung abgeklungen ist.
Bild 1. Typische Anwendung mit Spitzenstrom im Einschaltmoment (5 A/DIV | 100 µs/DIV).
Für die SMD-Ferrite gilt, dass der maximale Nennstrom auch die maximale Stromamplitude bei kurzzeitiger Belastung definiert. Bei der WE-MPSB-Serie mit Pulsbelastung sind Multilayer-Ferrite verfügbar, die den Spitzenstrom separat im Datenblatt betrachten.
Pulsbelastbarkeit testen
Häufig treten Stromspitzen beispielsweise im Einschaltmoment verschiedener Schaltnetzteile sowie bei Elektromotoren auf. Bekannte Anwendungen mit wiederkehrenden Pulsen sind etwa Scheibenwischermotoren in Fahrzeugen, aber auch Vorschaltgeräte von Leuchtmitteln, die im Einschaltmoment des Lichtes eine hohe Stromspitze erzeugen können. Insbesondere verursacht der Eingangskondensator in einem Schaltregler nicht selten eine hohe Stromspitze, der ein vorgelagerter EMV-Filter standhalten muss. Als Pulse versteht man in diesem Zusammenhang kurzzeitige Stromspitzen mit einer zeitlichen Begrenzung unterhalb von 8 ms bis zum vollständigen Abklingen zum DC-Strom der Schaltung.
Auf der Suche nach einem einheitlichen Standard zur Messung der Pulsbelastbarkeit bei SMD-Ferriten wurde der geeignete Ansatz in der Definition des Schmelzintegrals für Sicherungen gefunden. Für die Bestimmung des I²t-Wertes der Sicherungen wird gemäß Standard ein Puls von 8 ms Länge auf die Sicherung gegeben, ein Intervall, das lange genug ist, um die Sicherung zu erhitzen. Hält die Sicherung stand, wird der Strom so lange weiter erhöht, bis die Erhöhung zur Zerstörung der Sicherung führt. Zwischen den Pulsen ist eine Pause von 10 s gefordert, um dem Bauteil die nötige Zeit zur Regeneration (Abkühlung) zu geben.
Auf Basis dieser Sicherungsnorm hat Würth Elektronik eine angepasste Testroutine für die Multilayer-Ferrite entwickelt. Der in Bild 2 dargestellte Rechteck-Impuls wurde als Pulsform für alle Tests ausgewählt, weil dieser das Bauteil mit der höchstmöglichen Energie bei der gegebenen Pulslänge belastet, obgleich er in der Praxis im Einschaltmoment nur sehr selten anzutreffen sein wird.
Bild 2. Mögliche Impulsformen im Einschaltmoment. Der Rechteck-Impuls stellt die höchste Belastung des Bauteils dar und wird daher in der Testroutine genutzt.
Pulsfestigkeit empirisch ermitteln
Im Vergleich zur Sicherung ist es beim Multilayer-SMD-Ferrit nicht möglich, eine allgemeingültige Formel anzugeben, mit der man über die Berechnung des Schmelzintegrals auf die verschiedenen Spitzenströme bei unterschiedlichen Pulslängen schließen kann. Die empirisch ermittelten Datenblattwerte sind auf längerfristige Testreihen mit unterschiedlichen Parametern zurückzuführen [2].
Beispiel zur Verdeutlichung der Nichtanwendbarkeit des Schmelzintegrals für Multilayer-Ferrite, anhand des Artikels 742 792 206 01 (Z = 600 Ω, IR = 2,1 A, RDC,typ = 43 mΩ).
Der WE-MPSB hat eine maximale Spitzenstrombelastbarkeit von 18 A bei einer Pulslänge von 8 ms. Dies ergibt einen I²t-Wert von 2,592 A²ms (18 A @ 8 ms (5 s Pause, 24°C), I²t = 2,592 A²s).
Berechnet man basierend auf dem I²t-Wert für 8 ms den Strom bei einer Pulslänge von 2 ms, erhält man folgendes Ergebnis:
Der Datenblattwert (Bild 3) ist jedoch mit max. 24 A spezifiziert. Der berechnete I²t-Wert weicht also deutlich von den gemessenen Werten ab. Folglich ist es aufgrund des abweichenden Verhaltens des SMD-Ferrits zur Sicherung nicht möglich, die bekannte Berechnung des Schmelzintegrales I²t auf einen Multilayer-Ferrit anzuwenden.
Bild 3. Spezifizierte Spitzenstrombelastbarkeit nach Datenblatt.
SMD-Ferrite eignen sich aufgrund ihres Multilayer-Aufbaus prinzipiell nicht für hohe Pulsströme. Würth Elektronik hat ein optimiertes Lagendesign mit einer perfekten Mischung aus hohen Strömen, bis zu 75 % kleinerem RDC und einer möglichst hohen Impedanz über das komplette Frequenzspektrum entwickelt. So wird abhängig von der Impedanz und Stromamplitude für jedes Bauteil individuell das optimale Design verwendet.
Am Beispiel von vier ausgewählten MPSB-Bausteinen lässt sich die Pulsfestigkeit näher betrachten. Die in Bild 4 links gezeigte Strom-Pulsdauer-Kurve zeigt den maximal zulässigen Spitzenstrom bei den jeweiligen getesteten Pulsdauern. Der getestete Bereich erstreckt sich im Zeitbereich von 0,5 ms bis 8 ms.
Der maximal zulässige Pulsstrom (Bild 4 rechts) bei sich wiederholenden Pulsen ist in der zweiten Kurve in den Datenblättern dargestellt. Diese Kurve ist eine Grenzwertbetrachtung des maximalen Spitzenstromes bei sich wiederholenden Pulsen. Zur Bestimmung der Kurve wurde eine maximale Pulslänge von 8 ms gewählt.
Bild 4. Darstellung des Stromes in Abhängigkeit zur Pulsdauer und der Anzahl der Pulse bei 8 ms.
Einflussfaktoren auf die Pulsbelastbarkeit
Die primären Einflussfaktoren bei der Pulsbelastbarkeit von SMD-Ferriten sind:
Die Pulslänge t, die standardmäßig von 0,5 ms bis 8 ms getestet wird. Je länger der Impuls ist, desto geringer ist die maximale Pulsbelastbarkeit.
Die Anzahl der Pulse, die von 10 bis 100.000 Pulse getestet werden (Bild 4 rechts). Mit steigender Pulshäufigkeit sinkt die maximal zulässige Pulsbelastbarkeit.
Als dritte reduzierende Einflussgröße gilt es, die Temperatur zu beachten. Mit steigender Temperatur erhöht sich der RDC, was zu einer weiteren Reduzierung der maximalen Pulsbelastung führt.
Jedes dieser ineinander verketteten Systeme ist mit der Abhängigkeit der zugrundeliegenden Pause zwischen den einzelnen Pulsen behaftet. Um eine Betrachtung des verketteten Systems mit einer geringeren Pausenzeit durchzuführen, bedarf es des erneuten Vermessens der Einflussfaktoren Temperatur [T], Pulswiederholungen [n] und Pulslänge [t].
Ziel der WE-MPSB-Serie ist es, eine vergleichbare Impedanz wie bei der WE-CBF-Serie zu erreichen.
Während die WE-CBF-Bauteile bei Überschreitung des Nennstroms (Rated Current) meist zerstört werden, sind die WE-MPSB-Bauelemente auf eine höhere Pulsstrombelastbarkeit ausgelegt (Bild 5).
Bild 5. Die WE-MPSB-Serie ist auf eine höhere Pulsstrombelastbarkeit ausgelegt und widersteht so Stromspitzen, die beim Einschaltvorgang auftreten.
Am Beispiel der in Bild 6 gezeigten 600-Ω-Typen in der Baugröße 0805 hat die WE-MPSB-Serie durch den geringeren Widerstand einen höheren Nennstrom.
Bild 6. Vergleich der Impedanz und Nennstrombelastbarkeit des WE-CBF- und WE-MPSB-600-Ω-Typs.
Die WE-MPSB-Serie weist gegenüber einem vergleichbaren Bauteil der WE-CBF-Serie eine wesentlich höhere Pulsbelastbarkeit auf. Bild 7 zeigt auf der linken Seite die maximale Pulshöhe des 600-Ω-Typs und auf der rechten Seite die maximale Pulshöhe des vergleichbaren WE-MPSB-600-Ω-Typs.
Bild 7. Pulsbelastbarkeit der Serien WE-CBF und WE-MPSB im Vergleich.
Die WE-MPSB-Serie wurde basierend auf den Anforderungen von Schaltungen entwickelt, die die Multilayer-Ferrite mit kurzzeitigen Spitzenströmen über den Nennstrom hinaus belasten. Im Vergleich zu bestehenden Multilayer-Strukturen ist die Lagenstruktur optimiert, um durch niedrigere Widerstände eine höhere Strombelastbarkeit zu erzielen. Damit eignet sich die WE-MPSB-Serie besonders für den Einsatz in Schaltungen mit Pulsströmen.
Umfangreiches Chip-Bead-Portfolio
Die WE-MPSB-Familie umfasst Bauteile mit einer Impedanz Z (bei 100 MHz) von 8 bis 600 Ω in den Baugrößen 0603 bis 3312 (Bild 8). Der zulässige Einschaltspitzenstrom IR liegt je nach Bauteil bei 2,1 bis 10,5 A. Der Gleichstromwiderstand RDC beträgt zwischen 1,0 bis 80 mΩ. Der spezifizierte Frequenzbereich reicht von 1 bis 3 GHz. Die Qualifizierung für eine Erweiterung des Frequenzbereichs auf bis zu 8 GHz wird derzeit durchgeführt.
Bild 8. Die WE-MPSB-Familie umfasst Bauteile in den Baugrößen 0603 bis 3312.
Bei Strömen oberhalb von 5 A spielt zunehmend das Leiterplatten-Layout hinsichtlich der Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen eine Rolle. Deshalb erarbeitet Würth Elektronik derzeit Design-Tipps dazu.
((Literatur))
[1] SMD-Ferrite WE-MPSB (EMI Multilayer Power Suppression Bead) von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/de/components/products/WE-MPSB
[2] Holzbrecher, M.: Spitzenstrom-belastbare SMD-Ferrite – Multilayer Power Suppression Beads. AppNote ANP028 von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/anp028
((Autoren))
Markus Holzbrecher hat sein Studium der Elektrotechnik an der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig mit dem Diplom abgeschlossen. Seit 2011 ist er verantwortlicher Entwickler / Produktmanager für EMV-Ferrite zur Bestückung von Leiterplatten bei Würth Elektronik eiSos.
Mohamed Koobar hat sein Studium der Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) mit dem Bachelor of Science abgeschlossen. Von 2017 bis 2023 war er als Qualitätsmanager im Key Account Management bei Würth Elektronik eiSos tätig. Seit 2023 ist er verantwortlicher Entwickler / Produktmanager für EMV-Ferrite bei Würth Elektronik eiSos.
