Die Wahl der richtigen Induktivität für DC/DC-Wandler eine Abwägung zwischen den zahlreichen Optionen und ihrer jeweiligen Vorzüge

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1 Die Wahl der richtigen Induktivität für DC/DC-Wandler eine Abwägung zwischen den zahlreichen Optionen und ihrer jeweiligen Vorzüge Autor: Paul Lee, Director Engineering, Murata Power Solutions (England) Bei der Wahl der richtigen Induktivität für die Ausgangsstufe eines DC/DC- Schaltreglers stehen Entwicklern zahlreiche Optionen verschiedener Lieferanten zur Verfügung sogar innerhalb eines einzigen Anbieters. Mit einem Point-of-Load-(POL-)Wandler als Beispiel beschreibt dieser Beitrag, welche Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung stehen und welche Vorteile die jeweilige Wahl mit sich bringt. Die Grundsätze lassen sich generell für alle Applikationen mit Induktivitäten anwenden. Ein gängige Funktion ist die Wandlung eines Gleichstrompegels auf einen anderen und das bei hohem Wirkungsgrad und ohne Isolation. Bei hohen Leistungen erweist sich ein modularer POL-Buck-Schaltwandler von einem der zahlreichen Anbieter als wirtschaftlich. Bei niedriger Leistung entscheiden sich viele Entwickler für einen Schaltkreis mit einem Steuerungs-IC und den dazu erforderlichen diskreten Bauteilen. Mit der Ausnahme von Ladungspumpen ist eine Induktivität immer erforderlich, um Energie zu speichern und einen Ausgangsstrom während Totzeiten der Pulsweitenmodulations-(PWM-)Regelung bereitzustellen. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau.

2 Bild 1: Blockschaltbild eines Buck-Wandlers Die IC-Applikationsschrift wird meist als Auswahlhilfe für eine geeignete Induktivität herangezogen mit einer empfohlenen Teilenummer eines Herstellers magnetischer Bauelemente. Allerdings kann sich der Baustein als nicht optimal für die Anwendung erweisen, und auch das erforderliche mechanische Format liegt nicht vor. Ist nur ein Induktivitätswert vorgegeben, muss der Entwickler weitere Spezifikationen aller verfügbaren Optionen abfragen, um den passenden Baustein zu finden. Auch der Induktivitätswert ist nur ein Ausgangspunkt, der angepasst werden kann, um den bevorzugten Werten zu entsprechen oder damit der Entwickler versteht, wie der Schaltkreis reagiert, wenn die Induktivität bei ihren maximalen Toleranzwerten betrieben wird. Der Induktivitätswert wird normalerweise so gewählt, das ein bestimmter überlagerter Induktorstrom nach Gleichung (1) erzielt wird: (1) Δ I = Ut / L Darin ist I der Spitzen-Brummstrom; U die Ausgangsspannung ohne Spannungsabfall der Freilaufdiode oder des synchronen Gleichrichters; t die maximale Ausschaltzeit des Hauptschalters und L die Induktivität. Dies ist eine lastunabhängige Berechnung. Ein großer Induktivitätswert sorgt dabei für einen geringe Stromwelligkeit, die vom Ausgangskondensator absorbiert wird, was wiederum eine niedrige Brummspannung am Ausgang garantiert, die über die Kondensator-ESR- und ESL-Werte generiert wird. Als Elektrolytkondensatoren mit relativ hohem ESR-Wert und begrenzter Stromwelligkeit die Norm waren, kam es darauf an, den Brummstrom niedrig zu halten und damit die Induktivität hoch. Monolithische Keramikkondensatoren oder Folienkondensatoren mit sehr geringen ESR- Werten erlauben heute aber wesentlich höhere Brummströme bei minimaler Erwärmung und Brummspannung am Ausgang. Damit lassen sich kleinere Induktivitäten verbauen, was einen entsprechend geringeren Gleichstromwiderstand und höhere Ströme mit sich bringt. Eine kleinere Induktivität ermöglicht auch ein schnelleres Ansprechverhalten bei Laständerungen.

3 Ein hoher Brummstrom geht mit drei Problemen einher: 1.) Der Brummstrom ist durch die Induktivität dem DC-Laststrom überlagert und kann zusätzliche ohmsche Verluste in den Leitungen und AC-Verluste im Spulenkern verursachen. 2.) Der Spitzenwert des Brummstroms darf die Sättigungsgrenze der Induktivität nicht überschreiten. 3.) Bei einer niedrigen Last werden die Stromtäler des Brummstroms die Nulllinie durchkreuzen. Bei synchronen Gleichrichtern, die in beide Richtungen durchleiten, kann dieser Strom negativ werden und kontinuierlich so verbleiben. Bei Diodengleichrichtern stoppt der Stromfluss oder wird für einen Teil eines jeden Schaltzyklus diskontinuierlich fortgesetzt (bei Lasten, die unter diesem Minimalwert liegen). Die Übertragungsfunktion des Wandlers ändert sich, da dieser minimale Lastwert überschritten wird, und die Schleifenkompensation muss so ausgelegt sein, Stabilität bei beiden Zuständen zu garantieren. Dies führt in der Regel zu einem Kompromiss, wenn auch nur zu einem erhöhten Schaltungsaufwand. Wurde eine Induktivität ausgewählt, muss der Nennstrom bestimmt werden. Die Werte in Datenblättern entsprechen einem Dauerstrom bei einem bestimmten Temperaturanstieg oder einem Induktivitätsabfall, da die Induktivität beginnt, in die Sättigung zu gehen. Es kann ein erheblicher Brummstrom auftreten, der mit berücksichtigt werden muss. Falls der Temperaturanstieg eine Grenze darstellt, kann ein Betrieb mit hohen Brummströmen oder über dem Nennlaststrom erfolgen, wenn für ausreichende Luftzirkulation gesorgt ist. Die verschiedenen Hersteller bewerten ihre Induktivitäten für unterschiedliche Temperaturanstiege und prozentuale Induktivitätsabfälle. Murata Power Solutions verwendet z.b. einen Temperaturanstieg von 40 C bzw. einen Induktivitätsrückgang um 25%. Aus dem Datenblatt entnimmt man, dass die 4900S-Serie sättigungsbegrenzt ist, da die Induktivität mit 11,8 A Nennstrom nur einen Temperaturanstieg um 33 C bei diesem Stromwert aufweist (Bild 2).

4 Bild 2: Strom-/Temperatur-Graph für eine Beispiel-Induktivität Es lohnt sich auch eine Untersuchung, wie sich die Induktivität mit zunehmendem Strom verschlechtert. Verschiedene Kernmaterialien und Formen sorgen für eine mehr oder weniger schnelle Sättigung. Transientenund Überlastbedingungen sollten mit berücksichtigt werden, die zusammen mit einigen Materialien, einen plötzlichen Induktivitätsverlust verursachen können. Dies würde zu schädigenden, hohen Spitzenströmen in Halbleiterbauelementen führen. Gepresste Magnetkerne (Pulverkerne) gehen weniger schnell in die Sättigung, weisen aber im Wechselstrombetrieb größere Kernverluste auf. Zu berücksichtigen ist, dass die Sättigung stark von der Temperatur abhängt und zwischen 25 und 100 C um bis zu 20% abnimmt. Eine passend spezifizierte Induktivität bezieht diesen Aspekt bereits in den Nennstromwert mit ein. Einige Pulverkernmaterialien bieten eine schwankende Permeabilität, sodass die Induktivität bei sehr geringer Last viel höher ist und daher einen geringeren Brummstrom erzeugt. Dies hilft beim zuvor erwähnten Stabilitätsproblem. Der Gleichstromwiderstand einer Induktivität ist in Datenblättern aufgeführt und führt zu einem Spannungsabfall und zu Verlusten. Der Wert wird meist für 25 C angegeben und steigt mit dem Temperaturkoeffizienten von Kupfer um etwas 0,4%/ C. Auch hier ist bei einer korrekt spezifizierten Induktivität dieser Effekt bereits in den Nennstromwert mit einbezogen.

5 Eine wenig berücksichtigte Spezifikation ist die Impulsnennspannung einer Induktivität. In Niederspannungsanwendungen spielt dies keine Rolle. Einige Abwärtswandler wandeln jedoch gleichgerichtete Netzspannung auf Logikpegel hinab, wobei die Induktivität durchgehend mit bis zu 400 V bei hohen Frequenzen belastet wird. Der Aufbau der Induktivität sollte eine angemessene Draht-Durchbruchspannung unterstützen, vor allem zwischen dem Windungsanfang und ende, wo sich die Drähte überkreuzen. MnZn- Ferrit ist besonders leitfähig, weist einen Widerstand von 1 bis 10 Ωm auf und kann einen versteckten Pfad für einen Durchbruch darstellen. NiZn-Ferrit bietet einen hohen Widerstand (10 5 Ωm) und wird für spulenlose Trommelkern-Induktivitäten verwendet. Bei Anwendungen mit hohen Spannungen wird jedoch immer noch eine isolierte Spule empfohlen. Falls im Datenblatt keine Angabe vorhanden ist, sollte der Spulenhersteller einen Impulswert anhand von Produkteignungstests bereitstellen. Eine weitere Charakteristik, die es zu berücksichtigen gilt, ist die Selbstresonanzfrequenz (SRF) der Induktivität, die bei hohen Induktivitätswerten Hunderte von khz betragen kann. Jede Simulation des Schaltkreises sollte eine parallele Windungskapazität und einen Gleichstromwiderstand enthalten, um eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Datenblätter weisen die Induktivität und den SRF-Wert aus, sodass sich die Kapazität nach (2) berechnen lässt. (2) 1 = 2 4π ( SRF) C 2 L Jede Induktivität ist eine potenzielle EMV-Störungsquelle. Wo dies ein Problem sein kann, ist ein Ringkern mit Luftspalt zu bevorzugen, wie z.b. aus der 3200-Serie von Murata Power Solutions. Ein Ferrittrommelkern wie in der 2800-Serie ist generell kostengünstig, sein offener Aufbau kann aber zu EMV- Problemen führen. Die notwendige Lücke bietet sich am besten als Abstand zwischen den Spulenflanschen außerhalb der Wicklung an. Einige Hersteller bieten Induktivitäten mit optionalen Ferrit-Hülsen, die eine Abschirmung bieten, wie z.b. die 2300-Serie von Murata Power Solutions (Bild 3). Falls das elektrisch heiße Ende der Induktivität als Start der Wicklung ausgelegt ist

6 (innerste Lage), stellen die äußeren Lagen eine Art natürliches elektrostatisches Schutzschild dar. Suchen Sie nach dem Punkt oder der Markierung auf dem Gehäuse einer Induktivität, um herauszufinden, welcher Anschluss der Wicklungsbeginn ist. Ein gewisses Maß an magnetischer Abschirmung lässt sich mit einer Kupferbinde um das Bauteil erzielen. Kosteneffizienter ist jedoch die Wahl eines Bauteils, das so entwickelt wurde, dass es magnetische Felder im Inneren behält. Bild 3: Beispiel für eine Ferrit-Hülse bei der 2300-Serie von Murata Power Solutions Hartnäckige EMV-Probleme lassen sich auch durch die richtige Platzierung und Ausrichtung der Induktivität lösen. Ungeschirmte Leiterbahnen unterhalb von Bauteilen sollten vermieden werden. Denken Sie daran, dass Kupfer- Masseflächen nur eine elektrostatische Abschirmung bieten, d.h. sie bieten eine Ableitung für kapazitiv eingekoppelte Ströme. Das Dämpfen einer elektromagnetischen Kopplung erfordert eine Ferrit-Abschirmung oder ein Kupferband, was einen effizienten Kurzschlusspfad zum äußeren Feld darstellt. In einem Abwärtswandler ist die Spitzenspannung über der Induktivität bei geschlossenem Hauptschalter S1 und bei Last- und Netzschwankungen konstant. Wird der Induktivität nun eine zusätzliche Wicklung hinzugefügt und das Signal wie in Bild 4 gleichgerichtet, erhält man kostenlos eine isolierte und halbgeregelte Spannung mit niedriger Leistung.

7 Bild 4: Erzeugung einer niedrigen Hilfsspannung Und schließlich gibt es noch eine Reihe von Befestigungsmöglichkeiten. Durchkontaktierung- und SMD-Bauteile sind mit verschiedenen Anschlüssen erhältlich und erlauben einen Einsatz in Umgebungen mit starker Vibration. Induktivitäten mit niedriger Bauhöhe, wie die 2700T-Serie von Murata Power Solutions (Bild 5) stehen ebenfalls zur Verfügung, sind nur 1 mm hoch und eignen sich daher für platzbeschränkte Anwendungen. Bild 5: Platzbeschränkte Anwendungen profitieren von SMD- Induktivitäten mit geringer Bauhöhe. +++Ende Paul Lee ist seit acht Jahren als Director Engineering für Murata Power Solutions in Milton Keynes, England, tätig. Er zeichnet sich für die Produktentwicklung von Low Power, isolierter DC/DC-Wandler und magnetischer Bauteile verantwortlich. Er hält einen Abschluss in Elektronik von der University Kent.