Suchen

RoHS-konforme Induktivitäten Rauschen in der Leistungselektronik minimieren

| Autor / Redakteur: Andrea Polti* / Andreas Mühlbauer

Die optimalen Induktivitäten für Stromversorgungen und Wandlerschaltungen zu finden, ist nicht trivial. Neben dem eigentlichen Induktivitätswert muss der Entwickler unter anderem den Gleichstromwiderstand, die Erwärmung sowie den Sättigungsstrom des Bauteils und andere Parameter beachten.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Die Technologieentwicklung bei magnetischen Bauelementen hält zwar nicht mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie Schritt, Entwickler sehen sich aber dennoch einer Miniaturisierung, kurzen Produkteinführungszeiten und hohem Kostendruck ausgesetzt.

Eine große Auswahl an Induktivitäten sowie genaue Anleitungen zur Bauteilauswahl sind erforderlich, um ausgereifte Produkte pünktlich und kosteneffizient bereitzustellen. Zu beachten ist auch die RoHS-konforme Beschaffenheit und Verarbeitung magnetischer Komponenten, die den höheren Temperaturen beim Reflow-Löten widerstehen müssen.

Induktivitäten und Stromversorgungsfilter

Die Induktivität spielt in einer Vielzahl leistungsbezogener Applikationen eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Filterung und Glättung von Ein- und Ausgangsversorgungsleitungen, wenn sie in Verbindung mit einem oder mehreren Kondensatoren zum Einsatz kommt.

So sollten Entwickler beispielsweise bei der Wahl einer Speicherinduktivität für den Ausgang eines Schaltreglers das Bauteil so wählen, dass minimale Verluste auftreten und der Kern nicht gesättigt wird. Sättigung kann bei unterspezifizierten Bauteilen auftreten, wodurch sich die Induktivität verringert und die Filterleistungsfähigkeit abnimmt.

Induktivitäten für Filteranwendungen bestimmen

In der Praxis muss der Entwickler das optimale Gleichgewicht der Bauteilparameter finden. Die Wahl einer niedrigeren Induktivität führt beispielsweise zu einem niedrigeren Gleichstromwiderstand (RDC), was zu geringeren Verlusten in den Induktivitätswindungen führt. Mit weniger Windungen weist die niedrige Induktivität auch einen höheren DC-Sättigungsstrom auf und kann daher höhere Lasten bedienen. Geringere Induktivitäten zeigen auch ein schnelleres Einschwingverhalten und erfordern weniger Kondensatoren für einen guten Lasttransientenausgleich.

Bei der Wahl einer größeren Induktivität ist die Ausgangsstromwelligkeit kleiner, es ergeben sich weniger Induktivitätsverluste im Kern und in den Windungen sowie geringere Leitungsverluste in den Schalt-MOSFETs. Außerdem ist der Stromfluss in den Induktivitäten über einen größeren Bereich von Laststromwerten hinweg konstant.

Der optimale Induktivitätswert hängt auch von der Schaltfrequenz des Wandlers ab. Welchen Wert die Induktivität auch hat, RDC sollte so klein wie möglich ausfallen, um Verluste und die Selbsterwärmung der Induktivität zu minimieren.

Nach einer Daumenregel wird die Induktivität für einen Welligkeitsstrom (IRIP) zwischen 10 und 30% des Gleichstroms bei Volllast (IL) bemessen. Der Sättigungsstrom sollte mehrfach höher sein als der maximale Gleichstrom bei Volllast. Dadurch lässt sich eine Sättigung verhindern, die sonst zu einem starken Induktivitätsabfall führt. Der Entwickler sollte auch die Nennspannung der Induktivität, die maximalen Abmessungen des Bauteils und den Betriebstemperaturbereich beachten.

Berechnung der Filterinduktivität

(Archiv: Vogel Business Media)

Als Beispiel zur Wahl einer geeigneten Induktivität für eine Filterapplikation dient das Design eines Ausgangsfilters für ein DC/DC-Wandlermodul. Die Parameter sind bekannt:

C = 4,7 µF

RC = 0,23 Ω

RL = 1,0 Ω (geschätzt)

f = 200 kHz

C ist der Kapazitätswert, RC der ESR (äquivalenter Serienwiderstand) des Kondensators, RL ist der RDC der Induktivität und f ist die Betriebsfrequenz.

Um das Rauschen um den Faktor 100 zu dämpfen – das heißt von 0,5 V auf 5 mV –, muss die Impedanz der Induktivität (ZL) 100-mal größer sein als die des Kondensators (ZC):

ZL = 100 · ZC

(Archiv: Vogel Business Media)

Mit

folgt: ZL = 40 Ω

Und daraus ergibt sich

mit ZL = 2 π f L + RL

die Induktivität zu:

(Archiv: Vogel Business Media)

In diesem Fall eignet sich eine Induktivität mit 33 µH mit ausreichender DC-Auslegung. In der Praxis sollten Entwickler diese Richtlinie beachten, um eine ungefähre Lösung zu erhalten und dann die optimale Induktivität durch Evaluierung mehrerer ähnlicher Komponenten bestimmen. Die Induktivität muss auch mit den gewählten Kapazitätswerten optimal interagieren.

Schnelle Wahl der Induktivität

Ein einfacherer und schnellerer Weg für Anbieter von Stromwandlern, einen optimalen DC/DC-Wandlerbetrieb zu gewährleisten, ist die Evaluierung von Induktivitäten und die Empfehlung geeigneter Bausteine. Beispiele sind die DC/DC-Wandler der NME-, NMH- und NMJ-Baureihen von Murata Power Solutions. Sie sind bereits vorevaluiert und bieten eine optimale Kombination aus Ausgangsinduktivität und -kondensatoren für eine hohe, gleich bleibende Leistungsfähigkeit in Relation zu Wirkungsgrad, Rauschen, Stromaufbereitung und Kosten.

Die empfohlenen Induktivitätstypen und Kondensatorwerte sind den jeweiligen Datenblättern zu entnehmen. Dem Entwickler steht damit eine fertige, kompatibilitätssichere Lösung zur Verfügung, wodurch sich zahlreiche Trial-and-Error-Durchgänge erübrigen.

Eine Ausgangsinduktivität ist bei DC/DC-Wandlermodulen erforderlich, um die Ausgangsspannungswelligkeit bei Volllast zu verringern. Weiterhin werden zwischen der Masse am Ausgang und den positiven sowie negativen Versorgungsleitungen Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR-Wert eingefügt. (Archiv: Vogel Business Media)
Die Induktivitäten der 8200er-Serie sind I-Core-SMD-Bausteine, die sich für Anwendungen mit ExpressCard-Technologie und für Handhelds eignen. (Archiv: Vogel Business Media)

Das Murata-DC/DC-Wandlermodul NMJ1205SC mit ±5V-Dual-Output treibt beispielsweise bis zu 100 mA pro Ausgang und arbeitet mit 70 kHz Schaltfrequenz. Eine Ausgangsinduktivität von 22 µH ist erforderlich, um die Ausgangsspannungswelligkeit bei Volllast auf 5 mVSS zu verringern. Das Datenblatt empfiehlt die Induktivität 82223C, die alle Anforderungen an die Ausgangsinduktivität erfüllt, so dass der Entwickler keine langwierigen Tests zur Bestimmung des optimalen Bauteils durchführen muss.

Die 82223C ist ein I-Core-SMD-Baustein, der sich für Anwendungen mit ExpressCard-Technologie und für Handhelds eignet. Zu den Charakteristika zählen ein mit 0,92 Ω geringer RDC, ein im Verhältnis zum Ausgangsstrom des Wandlers hoher Sättigungsstrom von 320 mA und eine Resonanzfrequenz von 25 MHz.

Bei Nennstrom ist der Gleichstromwiderstand der Induktivität sehr niedrig. Dadurch beträgt der Spannungsabfall über der Induktivität weniger als 2% der Nennspannung des Wandlers. Dies ist eine nützliche Angabe, um die Selbsterwärmung der Induktivität unter Kontrolle zu halten und Verluste zu vermeiden.

Eine Ausgangsinduktivität ist bei DC/DC-Wandlermodulen erforderlich, um die Ausgangsspannungswelligkeit bei Volllast zu verringern. Weiterhin werden zwischen der Masse am Ausgang und den positiven sowie negativen Versorgungsleitungen Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR-Wert eingefügt. (Archiv: Vogel Business Media)

Zusätzlich empfiehlt das Datenblatt Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR-Wert. Diese werden zwischen der Masse am Ausgang und den positiven sowie negativen Versorgungsleitungen eingefügt. Zu den Anforderungen gehört eine Nennspannung, die doppelt so hoch ist wie die Ausgangsspannung des Wandlers. Die empfohlenen Kondensatoren sind SMD-Bausteine im 1206-Format mit den Werten 10 V und 4,7 µF.

In anderen Fällen ist das Verhalten der Induktivität entscheidend für den Betrieb des DC/DC-Wandlers – beispielsweise bei Wandlern, die Synchronisationstechniken enthalten, um Totzeit-Schaltkreise zu überbrücken. Bei diesen ist die Wahl der Induktivität besonders kritisch, so dass eine empfohlene und angepasste Induktivität verwendet werden muss, um einen korrekten Betrieb der Stromversorgung zu gewährleisten.

Designs mit bleifreien Bauteilen

Neben dem optimalen elektrischen Betrieb müssen Entwickler auch die weltweit immer häufiger angewendeten Richtlinien über gefährliche Substanzen in elektronischen Bauteilen beachten. Nachdem in der EU im Juli 2006 die RoHS-Richtlinie in Kraft trat, führte nun auch China eine eigene RoHS-Richtlinie ein. Neue Stromversorgungsdesigns müssen nach diesen Vorgaben ausgelegt sein.

Die größte Aufmerksamkeit beim Übergang auf eine bleifreie Fertigung legen die Hersteller auf die Materialkompatibilität und Optimierung neuer Reflow-Profile. Viele Fertigungsunternehmen verzeichnen aber Hitzeschäden bei Bauteilen auf dem Board.

Die Spitzentemperatur, die erforderlich ist, um bleifrei Lote erfolgreich zu verbinden, beträgt in etwa 245 °C und liegt demnach sehr nahe an der maximalen Gehäusetemperatur von Halbleiterbauteilen (260 °C), wie sie von der IPC empfohlen wird. Dies kann zu kosmetischen Beschädigungen wie angesengten Leiterplattensubstraten oder eingeleiteten Funktionsfehlern, beispielsweise durch Risse des Halbleiter-Dies führen. Erfahrungen haben gezeigt, dass die Löttemperatur sehr sorgfältig gewählt sein muss. Aber auch die Bauteile müssen robuster gegen die höheren Löttemperaturen ausgelegt werden.

Induktivitätshersteller haben neue Materialien entwickelt, die einen passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der einzelnen Komponenten geschirmter SMD-Induktivitäten bieten. Dieser lässt sich über den großen Temperaturbereich für bleifreies Löten anwenden und maximiert die Integrität des Bausteins während des Reflow-Lötens. Eine Reihe von Induktivitätsherstellern bietet neue Materialien und Konstruktionen, die entscheidend für die Entwicklung RoHS-konformer Produkte sind.

Eine erfolgreiche Produktentwicklung gründet auf schnellen Right-First-Time-Lösungen – von der Entwicklung bis hin zur Fertigung. Entwickler müssen sich gleichzeitig auf hochqualitative Bauteile verlassen können, um einen konstanten Produktionsertrag und optimale Zuverlässigkeit garantieren zu können – und das zu einem wettbewerbsfähigen Preis. Durch RoHS müssen die Hersteller ebenfalls garantieren, dass die Bauteile den höheren Reflow-Temperaturen bei der bleifreien Montage Stand halten.

*Andrea Polti ist Magnetics Product Manager bei Murata Power Solutions.

(ID:229691)