Die heutigen Möglichkeiten, den diskreten Aufbau durch die immer kleiner werdenden Gehäuseformen zu designen, fordern von den diskreten Filterbauteilen ebenfalls eine kleinere Größe. Früher realisierten Entwickler den Aufbau eines LC-Filters beispielsweise indem sie Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendeten, da bei diesen ein sehr breites Spektrum an Kapazitätswerten zur Verfügung steht. Aber dieser Vorteil nimmt zunehmend ab, da es die fortschreitende Technologie im Bereich der Keramikkondensatoren ermöglicht, hochkapazitive SMD-Keramikkondensatoren (multilayer ceramic chip capacitor, MLCC ) herzustellen. Dies kann einen Vorteil in Hinblick auf den benötigten Platz ermöglichen, sofern Entwickler gewisse Einflüsse beachten.

Arten und Eigenschaften von MLCCs

Eckdaten

Für Entwickler wird das LC-Filterdesign aufgrund der zunehmenden Minimalisierung zunehmend anspruchsvoller. Um mit der fortschreitenden Miniaturisierung Schritt halten zu können, bieten sich SMD-Keramikkondensatoren an. Dieser Artikel beschreibt die Eigenschaften solcher MLCC genannten Kondensatoren sowie den Filteraufbau. Verschiedene Messergebnisse veranschaulichen die simulierten Werte.

MLCCs können grundlegend aus Keramiken der Klasse 1 oder Klasse 2 aufgebaut sein, welche sich in verschiedenen Punkten wie Alterungserscheinungen, Spannungsabhängigkeit oder dem Spanungsbereich unterscheiden. Diese Eigenschaften beziehungsweise Toleranzen der verschiedenen Keramikklassen sind über die IEC- oder EIA-Codierung definiert und teilweise übertragbar. Über diese Codierung lassen sich Eigenschaften der Keramiken direkt ablesen. So ist NP0 (IEC) gleichzusetzen mit der EIA-Codierung C0G.. NP0 besitzt eine sehr kleine Toleranz über die Temperatur von ±30 ppm/K. Die typische Codierung für Klasse-2-Keramiken ist die EIA-Codierung. Keramikarten wie X7R oder auch X5R werden hierdurch definiert. Je nach Applikation muss eine gewisse Kapazität vorhanden sein, um die gewünschte Performance wie etwa Filtereigenschaften zu erzielen. X7R bedeutet, dass über den Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C die Kapazität sich maximal um ±15 Prozent verändern darf. Somit darf sich der Kapazitätswert bei einer 10-µF-Klasse-2-Keramik im Bereich von 8,5 µF und 11,5 µF in dem zulässigen Temperaturbereich bewegen. Jede Keramikmischung, die diese Eigenschaft erfüllt, ist eine X7R-Keramik. Zu dieser Toleranz kommt nun noch die Anliefertoleranz des Herstellers. Diese ist typischerweise noch einmal ±10 Prozent. Die Keramikklasse definiert aber nicht, wie sich die X7R-Keramik zusammensetzt. Auch dürfen Hersteller jede Keramik als X7R bezeichnen, sofern sie mit ihrer Aussteuerung der Kapazität über Temperatur in das beschriebene Toleranzfenster passt. Dies kann sich von Hersteller zu Hersteller unterscheiden. Daher gilt es die Eigenschaften der einzelnen Komponenten genau zu vergleichen, um beim Einsatz in der Applikation das gewünschte Verhalten sicherzustellen.

Bild 1: Fertig aufgebautes Filter-Board.

Bild 1: Fertig aufgebautes Filter-Board. Würth Elektronik Eisos

Einen sehr großer Einfluss auf die Kapazität besitzt der sogenannte DC-Bias-Effekt, also die Spannungsabhängigkeit der Kapazität. Bei einer Klasse-2-Keramik bewirkt die angelegte Spannung einen Abfall der Kapazität. Dies ist auf die innere Struktur des verwendeten Basismaterials Bariumtitanat zurückzuführen. Durch das Bariumtitanat erhält man zwar hochpermeable Keramiken, erkauft diese jedoch mit internen Strukturen, die auf ein externes elektrisches Feld reagieren und dadurch polarisiert werden. Dies resultiert in einer Art Sättigung des Materials und führt wiederum zu einem Abfall der Kapazität. Vergleichbar ist dieses Verhalten mit der Sättigung bei ferromagnetischen Materialien. Bei geringen Spannungen weist dieser Kondensator einen gewissen Ausheilungseffekt des Keramikmaterials auf. Vereinfach lässt sich sagen, dass die Keramik noch aufwachen muss. Sobald jedoch eine Spannung hinzukommt, beginnt der Heilungs- und Polarisationsprozess. Ab einer gewissen angelegten Spannung findet eine Sättigung des Materials statt, wodurch sich die zur Verfügung stehende Kapazität verringert. Würth Elektronik Eisos hat für jeden MLCC in ihrem Portfolio diese Daten erfasst und in dem Online-Tool Redexpert hinterlegt.

Filteraufbau

Bei der Wahl des Kondensators müssen Entwickler diese spannungsabhängige Kapazität für ihre Applikation berücksichtigen. Als Ausgangskondensator eines Schaltnetzteiles wird eine gewisse Kapazität benötigt, um den Regelkreis und damit auch die Ausgangsspannung stabil zu halten. Wird der Kapazitätswert durch die eingestellte Ausgangsspannung verringert, beeinflusst dies den Regelkreis. Das wiederum beeinträchtigt die Eigenschaften des Regelkreises wie etwa Ripple oder Lastsprungverhalten und kann dazu führen, dass sich bestimmte Spezifikationen nicht einhalten lassen. Bei einem am Eingang platzierten Filter müssen Entwickler die Spezifikation des Eingangsspannungsbereiches des Wandlers und damit die anliegende Spannung am Filter betrachten. Sonst kommt es zu einer Schwankung der Grenzfrequenz des Filters, was auch die Funktion des Filters nachteilig beeinträchtigt und die leitungsgebundene Störung führt zu
einem Nichtbestehen des EMV-Tests.

Mehr zum LC-Filter sowie verschiedene Tests- und Simulationsergebnisse finden Sie auf der nächsten Seite.

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