November 2011

SMD-Pulsübertrager für LAN-Anwendungen

Hochpräzise Platzsparer

Für das Übertragen von Pulssignalen mit hohen Datenraten über Ethernet-Strecken ist eine galvanische Trennung von Eingang und Ausgang notwendig. Die neuen SMD-Pulsübertrager TDK ALT4532, die auf einer innovativen automatisierten Spulenwickeltechnik basieren, zeichnen sich durch exakt reproduzierbare elektrische Eigenschaften und ihren sehr geringen Platzbedarf aus.

LAN-Anschlüsse gehören zunehmend zur Standardausstattung nicht nur von Computern, sondern auch von anderer digitaler Technik wie Fernsehern und sonstigen Multimedia-Geräten. Konventionelle Pulsübertrager für LAN-Anwendungen bestehen aus einem ringförmigen Kern, auf den die Primär- und Sekundärwicklungen aufgebracht werden. Übertrager mit Ringkern haben einen geringeren Streufluss und können eine höhere Leistung zur Verfügung stellen als Übertrager mit anderen Kernen, die konstruktionsbedingt einen Luftspalt aufweisen. Aus diesem Grund werden Pulsübertrager traditionell in Ringkernbauweise ausgeführt. Allerdings erfolgt das Wickeln der Spulen wegen der Kernform normalerweise von Hand, da ein automatisches Wickelverfahren nur schwer zu realisieren ist. Dadurch sind jedoch Abweichungen zwischen den fertigen Bauelementen unvermeidbar und eine stabile Qualität sowie gleichbleibende elektrische Eigenschaften sind in der Serienproduktion schwer erreichbar.

Um diese Nachteile zu vermeiden, setzen die SMD-Pulsübertrager der Serie TDK ALT auf ein neues Konstruktionsprinzip, das den Einsatz eines automatischen Wickelverfahrens ermöglicht.

Das Design der neuen SMD-Pulsübertrager basiert auf den neuesten TDK SMD-Gleichtaktfiltern, die zur Rauschunterdrückung eingesetzt werden. Der Aufbau eines Gleichtaktfilters ähnelt dem eines Pulsübertragers, da dort ebenfalls zwei Wicklungen zum Einsatz kommen. Das wegweisende Konzept nutzt ein automatisches Wickelverfahren mit einem rechteckigen Rollenkern, auf den ein flacher Plattenkern aufgesetzt wird (Abbildung 1). Die neuen SMD-Pulsübertrager sind die ersten in industrieller Großserie gefertigten Bauelemente, die mit einem automatischen Wickelverfahren hergestellt werden.

Abbildung 1: Das neue Kerndesign des SMD-Pulsübertragers TDK ALT4532

Nach dem automatischen Aufbringen von zwei Wicklungen auf den rechteckigen Rollenkern wird ein flacher Plattenkern aufgesetzt, sodass das Funktionsprinzip eines Ringkerns erhalten bleibt. Der Magnetfluss durchströmt das Innere beider Kerne.

Modernes Wicklungsdesign

Bei einem idealen Übertrager beträgt der Kopplungsfaktor k zwischen Primär- und Sekundärwicklung 1. Allerdings tritt in der Praxis unter anderem aufgrund des Luftspalts im Kern ein Streufluss auf, der zu einem Kopplungsfaktor kleiner 1 führt. Die resultierende Streuinduktivität verringert die Leistung des Übertragers. Die Herausforderung bestand bei dem SMD-Pulsübertrager TDK ALT4532 darin, einen Kopplungsfaktor zu erreichen, der sich dem Idealwert von 1 möglichst weit annähert. Dies gelang durch eine Verkleinerung des Luftspalts zwischen Rollenkern und Plattenkern. Sein Wert konnte um mehr als die Hälfte bisheriger Lösungen reduziert werden, wodurch sich ein erheblich verringerter Streufluss ergibt.

Auch das Design der Wicklung selbst spielt eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Kopplungsfaktors. Da jede Windung galvanisch von der nächsten getrennt ist, führt die Potenzialdifferenz dazu, dass benachbarte Windungen wie die Elektroden eines Kondensators wirken und in der Wicklung eine Kapazität erzeugen. Weitere parasitäre Kapazitäten ergeben sich in Übertragern durch die Kapazitätsverteilung der Windungen zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Dank fortschrittlicher Technologien ließen sich auch diese parasitären Kapazitäten sowie die Streuinduktivität auf möglichst kleine Werte reduzieren.

 

Ferrit als ideales Kernmaterial

Pulssignale decken einen sehr breiten Frequenzbereich ab. Daher ist die Auswahl des Kernmaterials entscheidend, um eine übermäßige Verzerrung der Pulsform zu verhindern. Nur so ist die erforderliche Signalintegrität einzuhalten.

Ein Pulsübertrager für eine 100BASE-T Ethernet-Verbindung etwa muss eine Induktivität von mindestens 350 µH aufweisen, wenn ein DC-Vormagnetisierungsstrom von 8 mA eingeprägt wird. Die herausragenden DC-Überlagerungseigenschaften von Ferritmaterialien sind hierbei äußerst vorteilhaft, da deren Magnetisierungskurve auch beim Anlegen eines DC-Vormagnetisierungsfelds linear verläuft. Aus diesem Grund kommt ein Ferritmaterial zum Einsatz, das sowohl eine große magnetische Permeabilität als auch eine hohe Sättigungsflussdichte über den gesamten, in einer normalen LAN-Umgebung auftretenden Temperaturbereich bietet.

 

Auf Grundlage umfangreicher Erfahrungen mit Ferriten konnte ein Material entwickelt werden, dessen Zusammensetzung und Mikrostruktur für Pulsübertrager-Anwendungen optimiert ist und daher bei der ALT-Serie zum Einsatz kommt. Es erfüllt die Anforderungen von Hochgeschwindigkeits-LANs der nächsten Generation und bietet gleichzeitig ein kleineres Kernvolumen und benötigt eine geringere Windungszahl als Pulsübertrager, die auf konventionellen Materialien basieren. Das Ergebnis ist ein hoch kompakter SMD-Pulsübertrager mit einer Grundfläche von nur 4,5 × 3,2 mm2 (Baugröße 4532).

 

Leistungsstark durch automatische Wickeltechnik

Die Pulsübertrager der Serie TDK ALT bieten in einem kompakten SMD-Gehäuse die hohe Zuverlässigkeit und Leistung, die von einem Pulsübertrager für LAN-Anwendungen gefordert werden. Wie die Augendiagramme in Abbildung 2 deutlich zeigen, ist die Signalintegrität des SMD-Pulsübertragers TDK ALT4532 mit derjenigen von größeren, konventionellen Produkten identisch.

Neben dem automatischen Wickeln basiert die ALT-Serie auf einem ebenfalls automatisierten Thermo-Druck-Bonding-Prozess für die Endelektroden und Drähte. Der für die ALT-Serie eingesetzte vollautomatische Fertigungsprozess sorgt auch für eine einheitlichere Qualität in der Serienproduktion, als dies bei konventionellen Produkten in halbautomatisierten Produktionsverfahren möglich wäre. So kommen bei der Durchführung der elektrischen Tests bis hin zur Umwicklung vollautomatisierte Batch-Prozesse zur Anwendung.

Abbildung 2: Vergleich der Augendiagramme bei Ethernet-Anwendungen

Trotz der wesentlich kompakteren Abmessungen gewährleistet der SMD-Pulsübertrager TDK ALT4532 die gleiche Signalgüte wie konventionelle Produkte.

Äußerst platzsparend

Üblicherweise werden Pulsübertrager zusammen mit den Gleichtaktdrosseln und anderen Komponenten in das LAN-Modul integriert. Bei Pulsübertragern in konventioneller Ausführung erfordert deren Montage häufig aufwändige Verdrahtungen sowie Lötarbeiten, die manuell ausgeführt werden müssen. Vor dem Löten ist es zudem nötig, diese Komponenten mit Harz zu fixieren. Die Übertrager der ALT-Serie können – wie bei SMD-Bauelementen üblich – zusammen mit anderen Komponenten während des Reflow-Lötens bestückt werden. Das vereinfacht den gesamten Prozess wesentlich und verkürzt die Montagezeit.

Darüber hinaus tragen die kompakteren Abmessungen in Verbindung mit einer Rauschfilterung nach dem Differenzialübertragungsverfahren zu weiteren Platzeinsparungen bei. Im Vergleich zu konventionellen Übertragern und Gleichtaktdrosseln lässt sich der Platzbedarf um etwa 40 Prozent verringern, wenn die TDK ALT-Serie in Kombination mit den Gleichtaktfiltern der Serie TDK ACM verwendet wird (Abbildung 3). Daher bieten sich die Produkte der Serien TDK ACM und ALT für den Einsatz in Geräten an, bei denen die Miniaturisierung eine wichtige Rolle spielt.

Abbildung 3: SMD-Bauelemente von TDK sparen Platz (100BASE-TX)

Im Vergleich zu konventionellen Lösungen ermöglicht der Einsatz des SMD-Pulsübertragers der Serie TDK ALT4532 in Verbindung mit dem SMD-Gleichtaktfilter TDK ACM2012 auf der Platine eine Platzeinsparung von bis zu 40 Prozent.

Tabelle: Technische Daten der Serie TDK ALT4532

TypALT4532-001T
Min. Induktivität [µH]

200 (DC-Vormagnetisierung: 100 mA, 100 kHz)

Max. Einfügedämpfung [dB]1,5 (0,1 bis 100 MHz)
Max. Wicklungskapazität [pF]35 (100 kHz)
Betriebstemperaturbereich [°C]0 bis +70
Abmessungen [mm]4,5 × 3,2 × 2,8 (L × B × H)

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