Welche Kniffe immer kompaktere und effizientere Leistungsdrosseln für DC/DC-Wandler ermöglichen

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RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Murata Europe B.V. Germany Branch

Entscheidend sind Induktivitäts-Strom-Kennlinie und Erwärmungsverhalten

Die maximale Stromstärke einer gewickelten Spule wird vom zulässigen DC-Bias-Strom bestimmt, der wiederum von der Induktivitäts-Strom-Kennlinie und dem Erwärmungsverhalten abhängig ist. Alle gewickelten Bauelemente erzeugen Wärme. Beide Eigenschaften wurden durch das Optimieren der Struktur und der Konstruktion des mit magnetischen Partikeln angereicherten Harzes verbessert. Die Leistungsinduktivitäten von Murata sind für eine optimale Kombination beider Werte konstruiert, um eine maximale Stromtragfähigkeit zu erreichen. Am Diagramm in Bild 2 lässt sich ablesen, welche Verbesserungen an den gewickelten Spulen von Murata vorgenommen wurden, um den zulässigen Strom anzuheben.

Gleiche Effizienz bei halber Größe

Bild 3 illustriert exemplarisch die Spannungswandlungs-Effizienz einer DC/DC-Wandlerschaltung, wenn eine Induktivität von Murata eingesetzt wird. Bei dem Produkt LQH3NPN220N handelt es sich um eine Spule mit einer Induktivität von 22 μH und einer Größe von 3,0 mm x 3,0 mm. Zur Evaluierung verwendete Murata einen DC/DC-Aufwärtswandler mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz. Zudem nahm Murata zu Vergleichszwecken Messungen am Produkt eines anderen Herstellers vor, das eine Ferrithülse besaß und Maße von 4,0 mm x 4,0 mm x 1,2 mm aufwies. Der Vergleichstest lieferte die Bestätigung, dass die Leistungsspule der LQH*P-Serie die gleiche Spannungswandlungs-Effizienz ermöglicht, obwohl ihr Volumen weniger als halb so groß ist wie das der Version mit Ferrithülse. Die Serie kann somit entscheidend dazu beitragen, die Abmessungen von Produkten und die Bauhöhe mobiler Geräte zu reduzieren.

Nicht gepresst, sondern geschnitten

Konventionelle Ferritkerne für Leistungsspulen werden aus Ferritpulver gepresst und anschließend gebrannt. Allerdings ist diese Methode mit einer ganzen Reihe von Einschränkungen behaftet, die der Designflexibilität Grenzen setzen. Murata hat deshalb ein Verfahren entwickelt, bei dem die Spulenkerne nicht gepresst, sondern geschnitten werden, um die gewünschte Form zu erhalten. Neben einer schnelleren und flexibleren Fertigung sorgt dies für eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Insbesondere lassen sich mit dieser Methode komplett runde Kerne herstellen, während die früheren Verfahren eher rechteckige Formen mit höheren DC-Widerständen hervorbrachten (Bild 4). Der niedrigere DC-Widerstand perfekt kreisförmiger Kerne trägt zusätzlich zur allgemeinen Energieeffizienz der DC/DC-Wandlerschaltung bei.

Spezielle Leistungsspulen für DC/DC-Wandler und Flachbildschirme

In zwei kürzlich eingeführten Leistungsspulen von Murata sind diese technologischen Fortschritte bereits umgesetzt. Die mittelgroßen, gewickelten Leistungsspulen der Serien LQH6PP und LQH88P weisen Footprints von 6 mm x 6 mm bzw. 8 mm x 8 mm auf. Ist die Serie LQH6PP mit nur 4,5 mm Bauhöhe schon flach, trägt die Serie LQH88P mit 4,0 mm noch weniger auf. Prädestiniert sind diese Produkte speziell für Anwendungen wie etwa DC/DC-Wandler für Flachbild-Fernsehgeräte, bei denen es ganz besonders auf minimale Bauhöhe ankommt. Trotz der kleinen Abmessungen wird ein weiter Bereich 1,0 bis 100 μH abgedeckt. Die Induktivitäten der LQH6PP-Serie sind für Nennströme bis 7,2 A (1,0-μH-Version) ausgelegt, während die Reihe LQH88P sogar Ströme bis zu 11,2 A verkraftet.

Optimierte Leistungsdrosseln mit einer ganze Reihe von Vorteilen

Durch die vereinfachte Struktur bei gleichzeitiger magnetischer Schirmung ergibt sich ein vollkommen neues Preis-/Leistungsverhalten zu den bisherigen Spulen. Es können gleiche elektrische Eigenschaften bei kleinerer Bauform, zu den bisherigen Spulen, erreicht werden. Durch die Reduzierung der Baugröße, der einfacheren Struktur (Verzicht auf Ferritmantel) können die Kosten in einer Schaltung mit dieser neuen Spule pro Schaltung deutlich reduziert werden. Im Bereich der Leistungsspulen-Technologie gibt es verschiedene technologische Fortschritte, wie etwa die Anwendung von Schneidverfahren zur Herstellung von Ferritkernen oder die magnetische Abschirmung mithilfe von Harzen, die mit magnetischen Partikeln angereichert sind. Die Auswirkungen dieser Neuerungen auf die Leistungsfähigkeit der Leistungsspulen sind enorm. Selbst sehr kompakte Spulen verkraften inzwischen hohe Ströme und tragen dank ihres niedrigeren DC-Widerstands zur hohen Energieeffizienz des Designs insgesamt bei. Murata ist entschlossen, sich dem immer vielfältiger werdenden Bedarf des Markts im Bereich der Leistungsspulen zu stellen und insbesondere der Nachfrage nach immer kleineren, aber dennoch für hohe Ströme geeigneten Bauelementen nachzukommen.

*Tadashi Tanaka ist Entwickler für EMV-Filter bei Murata

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