Bauteile für robuste Elektronikdesigns Pulsbelastbare SMD-Ferrite: Resilienter gegen Stromspitzen

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

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Aufgrund ihres Mehrschichtaufbaus reagieren Chip-Bead-Ferrite empfindlich auf Stromspitzen, wie sie typischerweise beim Einschalten von Schaltnetzteilen oder Elektromotoren auftreten. Ein optimiertes Lagendesign verbessert jedoch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber kurzzeitig starken Stromamplituden.

Bei einem Chip-Bead-Ferrit handelt es sich um eine Induktivität, die im Siebdruckverfahren hergestellt wird und typischerweise bei der EMV-Filterung Einsatz findet. Das Bauteil 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 Prozent reduzierten Gleichstromwiderstand R_DC 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.

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.

Testverfahren zur Pulsbelastbarkeit

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.

Empirisch gemessene Pulsfestigkeit

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 Ferrits 742 792 206 01 (Z = 600 Ω, I_R = 2,1 A, R_DC,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 Schmelzintegrals I²t auf einen Multilayer-Ferrit anzuwenden.

SMD-Ferrite eignen sich aufgrund ihres Multilayer-Aufbaus prinzipiell nicht für hohe Pulsströme. Würth Elektronik setzt bei den pulsbelastbaren SMD-Ferriten auf ein optimiertes Lagendesign, das für hohe Ströme ausgelegt ist, den Gleichstromwiderstand um bis zu 75 Prozent reduziert und eine hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich ermöglicht. 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 4a 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 4b) 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.

Einflussfaktoren der 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 R_DC, 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).

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.

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.

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.

Breites Bauteilspektrum

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 I_R liegt je nach Bauteil bei 2,1 bis 10,5 A. Der Gleichstromwiderstand R_DC 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.

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. (sb)

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

* 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.

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