Mai 2012

Vielschicht-Ferritspulen zur Entkopplung

Kleines Paket mit großer Stromtragfähigkeit

Schaltvorgänge mit hohen Taktraten verursachen in Gleichspannungswandlern Rauschen, das sich auf andere Schaltkreise auswirken kann. Vielschicht-Ferritspulen der TDK Serie MLZ-H bieten für den Einsatz in den Entkoppelkreisen die nötige hohe Stromtragfähigkeit. Sie eignen sich hervorragend für elektronische Geräte wie Digital- und Videokameras sowie Notebook-Computer.

Durch die Miniaturisierung von Halbleitern konnten deren Taktfrequenzen erhöht werden. Gleichzeitig arbeiten moderne Schaltkreise mit immer geringeren Betriebsspannungen. Diese ist bei ICs schrittweise von 5 V auf nur 1 V und darunter gesunken. Damit ist jedoch auch eine größere Stabilität der Stromversorgung erforderlich, da selbst kleinste Spannungsschwankungen zu einer Störung des IC führen können. Mit der Erhöhung der Taktfrequenzen elektronischer Geräte werden kleine Gleichspannungswandler neben den einzelnen ICs oder am Lastpunkt (POL, Point of Load) installiert. Abbildung 1 zeigt eine Drossel in einem Entkoppelkreis.

Abbildung 1: Einsatz von Spulen zum Entkoppeln von Gleichspannungswandlern
Häufig wird ein LC-Filter (Tiefpass) eingesetzt, um die Filterwirkung zu erhöhen.Vielschicht-Ferritspule MLZ-H

LC-Filter erhöhen Wirkungsgrad
Die Entkoppeldrossel wird in Reihe zum Stromkreis geschaltet und erfüllt zwei Funktionen (Abbildung 2). Zum einen soll sie das durch die Gleichspannungswandler verursachte hochfrequente Rauschen unterdrücken. Je höher die Frequenz des Wechselstromanteils ist, desto größer wird der Widerstand, der ihm durch die Drossel entgegengesetzt wird. Häufig wird ein LC-Filter (Tiefpass) eingesetzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, denn ein Kondensator lässt den Strom umso leichter passieren, je höher die Frequenz ist. Daher wird das von der Spule blockierte hochfrequente Rauschen durch den Kondensator gegen Masse abgeleitet.

Zum anderen soll die Spule die Versorgungsspannung stabilisieren. Bei Schwankungen der Stromstärke erzeugt die Spule durch Selbstinduktion eine elektromotorische Kraft (EMK) in die Richtung, die die Schwankung unterbindet, und speichert die elektrische Energie als magnetische Energie. Damit kann die Spule Schwankungen aufgrund eines momentanen Anstiegs oder Abfalls in der Versorgungsspannung verhindern, die erforderliche Stromstärke aufrechterhalten und so letztlich die Versorgungsspannung stabilisieren.

Abbildung 2: Funktionsweise einer Spule zum Entkoppeln

Noise suppression

Voltage stabilization

HF-Rauschunterdrückung (links): Die Spule blockiert das hochfrequente Rauschen, leitet es über den Kondensator gegen Masse ab und verhindert damit ein Ausbreiten der Störung auf andere ICs.Spannungsstabilisierung (rechts): Die Spule speichert elektrische Energie als magnetische Energie und stabilisiert so die Versorgungsspannung.

Wesentlich höherer Nennstrom
Da die Stromstärken in Versorgungsstromkreisen viel größer sind als in Signalstromkreisen, wurden bisher hauptsächlich gewickelte Spulen zum Entkoppeln eingesetzt. Diese weisen eine im Vergleich zu Vielschicht-Spulen deutlich höhere Stromtragfähigkeit auf. Aus diesem Grund kamen Vielschicht-Spulen bisher kaum zum Einsatz. Erst die TDK Vielschicht-Ferritspulen der MLZ-Serie führen hier zu einer Verbesserung. Die MLZ-Serie nutzt ein Ferritmaterial, das sich aufgrund des höheren Nennstroms für viele Designs anbietet, die bisher nur mit gewickelten Drosseln möglich waren.Auf Grundlage der jahrzehntelangen Erfahrungen mit Ferriten sowie fortgeschrittener Materialtechnologien hat TDK die feine polykristalline Struktur des Ferritmaterials weiterentwickelt, um somit die Nennstrombelastbarkeit zu erhöhen.

Dieses neue Ferritmaterial hat den gleichen Grundaufbau wie bisherige Materialien, weist aber eine wesentlich verbesserte Sättigungsflussdichte auf. Basierend auf diesen Fortschritten hat TDK im Jahr 2009 die Vielschicht-Ferritspulen der MLZ-W-Serie mit einem 2,5 Mal größeren Nennstrom eingeführt. Die jüngste Ergänzung der MLZ-Produktfamilie ist die MLZ-H-Serie mit einer noch größeren Stromtragfähigkeit (Abbildung 3).

Abbildung 3: Vergleich von drahtgewickelten Drosseln und Vielschicht-Drosseln
Die TDK MLZ-H-Serie bietet fast den gleichen Nennstrom wie gewickelte Drosseln, weist jedoch einen wesentlich kleineren Formfaktor auf.


Dank ihrer verbesserten Gleichstromüberlagerung und der optimierten Schichtstruktur weisen die Drosseln der neuen Serie MLZ2012-H einen Nennstrom von 700 mA bei eine Induktivität von 1,0 μH auf. Das bedeutet eine Erhöhung um das bis zu 2,5-Fache gegenüber der Serie MLZ-W (Abbildung 4) und entspricht damit dem Wert von gewickelten Spulen. Möglich wurde dies auch durch den Einsatz von niederohmigen Elektroden. Zudem erlaubt die magnetische Schirmstruktur der MLZ-H-Serie eine sehr kompakte Bauform. Außerdem erfüllt die neue Serie auch die RoHS-Kriterien und ist für bleifreies Löten geeignet.

Abbildung 4: Induktivität gegen Gleichstromüberlagerung
Verbesserte Gleichstromüber-
lagerung durch die TDK MLZ-H-Serie in Abhängigkeit von der Induktivität.

Breite Anwendungspalette
Dank des einzigartigen Ferritmaterials und der optimalen Schichtenstruktur steht mit der MLZ-H-Serie jetzt eine leistungsstarke Vielschicht-Ferritdrossel für zahlreiche Anwendungen zur Verfügung, die bislang größeren, drahtgewickelten Spulen vorbehalten waren. Mit einer Gleichstromüberlagerung, die jetzt der von gewickelten Spulen entspricht, bietet sich die niederohmige Miniatur-Drossel für das Entkoppeln in kleinen elektronischen Geräten wie Digitalkameras, Videokameras und Notebooks an. 

Tabelle: Technische Daten der TDK MLZ-H-Serie

MLZ2012M1R0HTMLZ2012M2R2HTMLZ2012M4R7HTMLZ2012M100HT
Induktivität [μH]

1,0

2,2

4,7

10

Toleranz der
Induktivität[%]
±20±20±20±20
Eigen-
resonanz-
frequenz
[MHz]

150

100

60

40

Typ.
Gleichstrom-
widerstand

0,10

0,16

0,34

0,68

Nennstrom -1 [mA] *

700

400

300

200

Nennstrom -2 [mA] **

800

600

400

300


* Stromstärke, wenn die Induktivität auf maximal 50 Prozent abfällt.
** Stromstärke, bei welcher der maximale Temperaturanstieg um 20 K festgelegt ist.
Testbedingungen: Frequenz 2 MHz, Strom 0,1 mA, maximale Umgebungstemperatur 105 °C


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