Mai 2014

Chip Beads zur Rauschunterdrückung in Smartphones

Effektive EMV-Lösung mit nur einem Bauelement

Smartphones müssen diverse Bänder unterstützen und bei immer höheren Frequenzen von bis zu mehreren GHz arbeiten. Für diesen Zweck ermöglicht die neue MMZ-Baureihe von TDK Vielschicht-Ferrit-Chip-Beads eine effektive Rauschunterdrückung über einen breiten Frequenzbereich.

Das EMV-Design von Smartphones und Tablets birgt besonders große Herausforderungen. Diese mobilen Geräte integrieren Antennen und Funksysteme für 2G-, 3G- und 4G-Dienste in einem kompakten Gehäuse und bieten eine steigende Anzahl zusätzlicher Dienste wie WLAN, Bluetooth und GPS, Foto- und Videoaufnahmen sowie hochauflösende Displays. Hinsichtlich der EMV bedeutet dies, dass Signale mit immer höheren Frequenzen zum Einsatz kommen, die bis in den GHz-Bereich reichen und Oberwellen (Harmonische) erzeugen. Damit steigt die Komplexität der EMV-Umgebung mit stärkeren elektromagnetischen Störungen (EMI) mit der Folge einer größeren Rauschbelastung. Deshalb ist die Rauschunterdrückung in GHz-Bändern ein nicht zu unterschätzendes Problem.

Da die Tx- und Rx-Antennen sehr dicht beieinanderliegen, kann das durch die Tx- und Rx-Signale hervorgerufene Rauschen die Leistungsfähigkeit des Smartphones erheblich beeinträchtigen. So führt selbst ein niedriger Rauschpegel unter Umständen zu einer deutlichen Erhöhung der Eingangsleistung an der Antenne und die Empfangsempfindlichkeit verschlechtert sich. Während dies an Standorten mit hoher Signalstärke für gewöhnlich kein Problem darstellt, kann sich der Empfang bei schwachen Rx-Signalen als nahezu unmöglich erweisen.

Darüber hinaus stellt die hohe Anzahl der von Smartphones unterstützten Frequenzbänder ganz spezielle Anforderungen an Entwickler. Da jedes Frequenzband eine eigene Rauschunterdrückung benötigt, erhöht sich die Zahl der EMV-Bauelemente, was wiederum zu einem Platzproblem führt. Deshalb stehen Entwickler von Smartphones vor der Aufgabe, die Zahl der benötigten Komponenten und deren Platzbedarf zu minimieren.

Damit die EMV-Anforderungen der nächsten Generation von Mobilgeräten erfüllt werden können, hat TDK sein Portfolio an Vielschicht-Ferrit-Chip-Beads in Gigaspira®-Fertigungstechnologie um folgende drei neue, miniaturisierte Baureihen erweitert:

  • MMZ-1005V mit der weltweit höchsten Impedanz im GHz-Band
  • MPZ-1005E mit niedrigem Gleichstromwiderstand, hoher Strombelastbarkeit und großer Impedanz
  • MMZ-0603E als miniaturisierter Ausführung der Baureihe MMZ-1005E

Dank des breiten Frequenzbereichs der neuen Gigaspira Chip Beads ist es zudem möglich, mit einem einzigen Chip gleich für mehrere Frequenzbänder eine effektive Rauschunterdrückung zu gewährleisten.

Rauschunterdrückung mit Chip Beads

Ein Chip Bead ist ein Bauelement, das eine Rauschunterdrückung ermöglicht, indem es in Reihe mit den Signalleitungen geschaltet wird, die mögliche EMI-Quellen sind. Chip Beads finden in vielen unterschiedlichen Arten von Geräten Verwendung.

Die Impedanz (Z) als wichtigster Parameter der Chip Beads setzt sich aus dem Blindwiderstand (X) (Reaktanz) und dem ohmschen Wirkwiderstand (R) zusammen. Im niedrigen Frequenzbereich dominiert der Reaktanz-Anteil und wirkt als Induktivität, die Rauschsignale reflektiert. Bei höheren Frequenzen kommt der Wirkwiderstand stärker zur Geltung, sodass Rauschen in Wärme umgewandelt und absorbiert wird. Abbildung 1 zeigt den typischen Frequenzverlauf von Chip Beads.

Abbildung 1: Typischer Frequenzverlauf von Chip Beads

Das Dämpfungsmaximum wird bei der Frequenz erreicht, bei der der Blindwiderstand (Reaktanz) der induktiven Komponente auf 0 abfällt. Daher sind die TDK Gigaspira Chip Beads in der Lage, das Rauschen über einen weiten Frequenzbereich zu unterdrücken.

In Längsrichtung gewickelte Spule

Gigaspira Chip Beads erreichen diese höhere Impedanz durch die von TDK entwickelte Vielschichtstruktur in Verbindung mit Ferrit-Technologien. Abbildung 2 verdeutlicht den Innenaufbau von konventionellen Chip Beads im Vergleich zu den neuesten Gigaspira-Bauelementen. Beim konventionellen Chip Bead generieren die Spulenkomponente (L) des Innenleiters und die Streukapazitäten (C) zwischen dem Innenleiter und der Außenelektrode eine Eigenresonanz (LC-Resonanz), so sinkt die Impedanz in dem Frequenzbereich, der über der Eigenresonanzfrequenz (SRF) liegt.

Die Spule des Gigaspira Chip Beads hingegen ist in Längsrichtung gewickelt und rechtwinklig zur Anschlusselektrode positioniert. Dieser Aufbau verringert die Streukapazitäten und verschiebt so die SRF in den hohen Frequenzbereich.

Abbildung 2: Beziehung zwischen Innenaufbau und Eigenresonanzfrequenz (SRF)

Beim konventionellen Bead verläuft die Wickelrichtung der Spule parallel zur Anschlusselektrode (links), sodass in jeder Lage Streukapazitäten entstehen.
Demgegenüber verläuft die Wicklung im TDK Gigaspira Bead rechtwinklig zur Anschlusselektrode (rechts). Dadurch werden Streukapazitäten wesentlich verringert und die Eigenresonanzfrequenz (SFR) erhöht sich.

Darüber hinaus hat die Wicklung in Längsrichtung den Vorteil, dass die Anzahl der Windungen erhöht werden kann. So wird eine größere Impedanz als beim konventionellen Chip Bead erzielt (Abbildung 3). Damit erreicht die Impedanz diesen hohen Frequenzbereich und ermöglicht es, ein Rauschen auch in den hohen Frequenzbändern zu unterdrücken, in denen konventionelle Chip Beads wirkungslos sind. Daher sind Gigaspira Chip Beads äußerst effektive EMV-Bauelemente für Smartphones und andere Mobilgeräte, die mehrere Frequenzbänder nutzen. Zudem bestätigen die EMI-Pegelmessungen die herausragende Rauschunterdrückung der Gigaspira Beads (Abbildung 4).

Abbildung 3: Überlegene Impedanz und Frequenzcharakteristik der TDK Gigaspira Chip Beads

Aufgrund der geringeren Streukapazitäten unterdrücken die TDK Gigaspira Beads EMI-Störungen in dem hohen Frequenzbereich, in dem konventionelle Beads wirkungslos sind.

Abbildung 4: Rauschunterdrückung mit TDK Gigaspira Beads im Vergleich zu konventionellen Chip Beads

Dank des besonderen Spulenaufbaus erreichen die TDK Gigaspira Beads über einen sehr weiten Frequenzbereich wesentlich höhere Impedanzwerte als konventionelle Chip Beads (links).
Daher bieten die Gigaspira Beads eine weitaus bessere Rauschunterdrückung als Standardbauelemente (rechts).

Breites Portfolio von Gigaspira Chip Beads

Vier Baureihen in Gigaspira-Fertigungstechnologie sind jetzt aus dem TDK Chip-Bead-Portfolio erhältlich (siehe Tabelle):

Als Erstes ist die Baureihe MMZ-V mit der weltweit höchsten Impedanz im GHz-Band zu nennen. Sie zeichnet sich durch eine besonders hohe Impedanz im Bereich von 0,7 GHz bis 3 GHz aus und kann daher Rauschanteile unterdrücken, die die Baureihe MMZ-E nicht erfasst. Daher ermöglicht die Baureihe MMZ-V eine herausragende Unterdrückung hochfrequenter Rauschkomponenten sowie der typischen Störsignale, die bei mehreren GHz in den LTE-Bändern und WLAN auftreten.

Die Baureihe MMZ1005-E besitzt eine Eigenresonanzfrequenz, die bis in den GHz-Bereich erhöht wurde und damit weit über der von konventionellen Chip Beads liegt. Damit ist es möglich, mit einem einzigen Bauelement über einen breiten Frequenzbereich eine wirkungsvolle Rauschunterdrückung zu gewährleisten. Wie bei der Baureihe MMZ-V reicht die Impedanz in den GHz-Bereich und ist damit größer als bei konventionellen Typen. Diese Baureihe umfasst 14 Typen mit vier unterschiedlichen Materialien, die ein weites Frequenzspektrum abdecken. Die Baureihe MMZ1005-E bietet sich zur Rauschunterdrückung bis in den unteren GHz-Bereich an.

Die Baureihe MMZ0603-E besitzt vergleichbare Impedanzwerte wie die Beads in der Baugröße 1005, ist aber in der Baugröße EIA 0603 (0,6 x 0,3 x 0,3 mm³) verfügbar. Sie hat somit ein um 78 Prozent geringeres Volumen und eine um 64 Prozent kleinere Grundfläche. Dank des optimierten Innenaufbaus ist die Eigenresonanzfrequenz der Baureihe MMZ0603-E höher als beim größeren Typ MMZ1005-E. Zur Abdeckung eines großen Frequenzspektrums umfasst diese Baureihe acht Typen mit drei unterschiedlichen Materialien. Die Baureihe MMZ0603-E bietet sich ebenfalls zur Rauschunterdrückung bis in den unteren GHz-Bereich an. Der vierte Typ von Gigaspira Chip Beads ist die Baureihe MPZ-E. Aufgrund ihres im Vergleich zur Baureihe MMZ-E niedrigen Gleichstromwiderstands und ihrer hohen Strombelastbarkeit ist sie ideal für den Einsatz in Stromversorgungsleitungen sowie zur Sicherung eines geringen Stromverbauchs in Signalleitungen geeignet. Die Impedanzwerte der Baureihe MPZ-E liegen über denen von konventionellen MPZ-Typen. Diese Baureihe beinhaltet den Typ S mit hohen Impedanzwerten über einen weiten Frequenzbereich bis in den GHz-Bereich sowie den Typ F mit Impedanzwerten, die im GHz-Bereich stark erhöht sind.

Der vierte Typ von Gigaspira Chip Beads ist die Baureihe MPZ-E. Aufgrund ihres im Vergleich zur Baureihe MMZ-E niedrigen Gleichstromwiderstands und ihrer hohen Strombelastbarkeit ist sie ideal für den Einsatz in Stromversorgungsleitungen sowie zur Sicherung eines geringen Stromverbauchs in Signalleitungen geeignet. Die Impedanzwerte der Baureihe MPZ-E liegen über denen von konventionellen MPZ-Typen. Diese Baureihe beinhaltet den Typ S mit hohen Impedanzwerten über einen weiten Frequenzbereich bis in den GHz-Bereich sowie den Typ F mit Impedanzwerten, die im GHz-Bereich stark erhöht sind.

Tabelle: Kenndaten der TDK Gigaspira Chip Beads

Baureihe

Impedanz bei
100 MHz [Ω]*

Impedanz bei
1 GHz [Ω]**

Impedanz bei
2,5 GHz [Ω]**

Gleichstrom
-widerstand [Ω]

Nennstrom
[mA]

MMZ-V75 bis 180500 bis 12001400 bis 30000,9 bis 1,6150 bis 250
MMZ1005-E47 bis 2200800 bis 3000--0,65 bis 2,2150 bis 300
MMZ0603-E 600 bis 10001000 bis 1800--1,6 bis 2,6125 bis 150

MPZ-E

33 bis 330200 bis 600--0,22 bis 0,45700 bis 1500

*  ±25 %
** ±40 %

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