LC-Filterdesign mit MLCCs: Warum die angelegte Spannung am Filter zu beachten ist

Beim LC-Filterdesign mit MLCCs sind eine ganze Reihe von Gegebenheiten zu berücksichtigen. So muss zum Beispiel die angelegte Spannung am Filter unbedingt beachtet werden.

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Die Forderung, elektronische Schaltungen (z.B. Schaltnetzteile) immer kompakter aufzubauen, hat nicht nur Auswirkungen auf die Auswahl aktiver Komponenten, sondern auch auf die passiven Komponenten für den zugehörigen Filteraufbau, um auftretende Störungen zu bekämpfen. Die heutigen Möglichkeiten, den diskreten Aufbau durch die immer kleiner werdenden Gehäuseformen zu designen, fordern von den diskreten Filterbauteilen ebenfalls eine kleinere Größe. So wurde früher der Aufbau z.B. eines LC-Filters oftmals durch die Verwendung von Aluminium Elektrolytkondensatoren realisiert, da bei diesen ein sehr breites Spektrum an Kapazitätswerten zur Verfügung steht, aber dieser Vorteil wird zunehmend geringer, da es die fortschreitende Technologie im Bereich der Keramikkondensatoren ermöglicht, hochkapazitive SMD-Keramikkondensatoren (multilayer ceramic chip capacitor, MLCC) herzustellen. Dies kann einen sehr großen Vorteil in Hinblick auf den benötigten Platz ermöglichen, sofern gewisse Einflüsse, wie beispielsweise die Spannung am Kondensator und somit auf die Filterauslegung, beachtet werden. Dazu wird im Folgenden der Fokus auf einen LC-Tiefpass gelegt, wie er als Eingangs- oder Ausgangsfilter bei Schaltreglern oder Stromversorgungsfilter von Baugruppen Anwendung findet.

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Die verschiedenen Arten und Eigenschaften von MLCCs

MLCCs können grundlegend aus Keramiken der Klasse 1 oder Klasse 2 aufgebaut sein, welche sich in verschiedenen Punkten wie Alterungserscheinungen, Spannungsabhängigkeit oder dem Spannungsbereich unterscheiden. Diese Eigenschaften bzw. Toleranzen der verschiedenen Keramikklassen werden über die IEC oder EIA Codierung definiert und sind teilweise übertragbar. Über diese Codierung lassen sich Eigenschaften der Keramiken direkt ablesen, so ist NP0 (IEC) gleichzusetzen mit C0G der EIA Codierung.

NP0 besitzt eine sehr kleine Toleranz über die Temperatur von ±30 ppm. Die typische Codierung für Klasse-2-Keramiken ist die EIA Codierung. Keramikarten wie X7R oder auch X5R werden hierdurch definiert. Je nachdem welche Applikation aufgebaut wird, muss eine gewisse Kapazität vorhanden sein, um die gewünschte Performance wie Filtereigenschaften zu erzielen. X7R bedeutet, dass über den Temperaturbereich von –55 bis 125 °C die Kapazität sich maximal um ±15 % verändern darf. Somit darf 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, die zum Tag der Anlieferung eingehalten wird. Diese ist typischerweise noch einmal ±10 %. Die Keramikklasse bzw. der Code definiert aber nicht, wie sich die X7R-Keramik (Puderkörnung, Materialmix, …) zusammensetzt. Auch darf jede Keramik, welche mit Ihrer Aussteuerung der Kapazität über Temperatur in das beschriebene Toleranzfenster passt, als X7R bezeichnet werden. 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.

Ein sehr großer Einfluss auf die Kapazität besitzt der so genannte DC-Bias Effekt, d.h. 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 Basismaterial 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 (z.B. Ferritmaterial). Deswegen spricht man bei diesem Material auch von ferroelektrischen Eigenschaften. Bei geringen Spannungen weist dieser Kondensator einen gewissen Ausheilungseffekt des Keramikmaterials auf. Man könnte vereinfacht sagen, dass die Keramik erst noch aufgeweckt werden muss. Wird eine Spannung angelegt, beginnt der Heilungs- und Polarisationsprozess. Ab einer gewissen angelegten Spannung findet eine Sättigung des Materials statt und die zur Verfügung stehende Kapazität wird dadurch verringert. Würth Elektronik hat für jeden MLCC in Ihrem Portfolio diese Daten erfasst und in dem Online-Tool REDEXPERT hinterlegt.

Was beim Filteraufbau zu beachten ist

Der Effekt, dass die Kapazität spannungsabhängig ist, muss bei der Auswahl des Kondensators für die jeweilige Applikation bzw. den jeweiligen Einsatz individuell betrachtet werden. 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, wird dies den Regelkreis beeinflussen. Somit werden Eigenschaften wie Ripple oder Lastsprungverhalten beeinträchtigt und ggf. die Spezifikation nicht eingehalten. Bei einem Filter, z.B. für die Schaltfrequenz eines Abwärtswandlers, der am Eingang platziert ist – die kritische Seite beim Abwärtswandler ist stets der Eingang – muss die Spezifikation des Eingangsspannungsbereiches des Wandlers und damit die anliegende Spannung am Filter betrachtet werden. Sonst kommt es zu einer Schwankung der Grenzfrequenz des Filters, wodurch auch die Funktion des Filters nachteilig beeinträchtigt wird und somit ggf. die leitungsgebundene Störung zu einem nichtbestehen des EMV-Test führt.

Der LC-Filter wird am häufigsten eingesetzt

Der am weitesten und am häufigsten eingesetzte Filter in der Elektronik ist die Kombination aus einem induktiven und einem kapazitiven Bauteil, der LC-Filter. Da dieser ein Filter zweiter Ordnung ist, besitzt er an seinem Grenzpunkt einen Abfall von –6 dB und eine Steilheit von 40 dB/Dekade. Generell muss bei einem Filter mindestens ein Bauteil frequenzabhängig sein. Ein wichtiger Punkt den es bei der Verwendung eines LC-Filters mit einem SMD-Ferrit z.B. am Eingang eines Schaltreglers zu beachten gilt, sind mögliche (zu) hohe Einschaltströme. Sind pulsartige Einschaltströme vorhanden und sind diese um ein vielfaches Größer als der Nennstrom des SMD-Ferrits, können diese den SMD-Ferrit über die Dauer der Anwendung zerstören. Abhilfe kann hier mit der Bauteilserie WE-MPSB mit einer definierten Pulsfestigkeit geschaffen werden.

Ein weiterer Punkt bei der Verwendung von SMD-Ferriten, welcher hier aber nicht weiter vertieft werden soll, ist die Abhängigkeit der Impedanz vom Strom, der durch das Bauteil fließt. Je nachdem wie hoch dieser Strom ist, wird die Impedanz durch eine Sättigung des Ferritmaterials verringert, da eine CBF keinen Luftspalt besitzt, wodurch sich die Filtereigenschaften ebenfalls ändern.

Verschiedene Kombinationen von LC-Filter und π-Filter

Um die Spannungsabhängigkeit der Kondensatoren in Bezug auf deren Filtereigenschaften zu untersuchen, wurde im folgenden ein Filter-Board mit verschiedenen LC-Filterkombinationen und π-Filter aufgebaut. Als Induktivität wurde ein SMD-Ferrit mit einem ermittelten Induktivitätswert von 1,5 µH gewählt, als Kondensatoren wurden WCAP-CSGP der Baugröße 0805 gewählt.

Als Stecker für den Eingang und Ausgang wurde jeweils eine SMA-Buchse verbaut. Um die einzelnen Filter aktivieren zu können, wurden jeweils zwei Jumper pro Filter verwendet. Es wurde auf ein GND-Guard verzichtet, da sich der Aufbau auf einer durchgehenden Massefläche befindet. Die Anbindung der Filterkondensatoren wurde mit je fünf Durchkontaktierungen realisiert.

Die Pfade von der SMA-Buchse zu den Filtern sind sternförmig ausgeführt; dadurch entstehende Reflexionen können aber erst weit über 200 MHz auftreten und sind daher nicht relevant, ebenso eventuell auftretende Einflüsse der verwendeten Jumper. Die Gleichspannung wird über den ersten Port eingespeist.

Typischerweise wird die Eigenschaft des Filters in dB angegeben. Im vorliegenden Fall wurde jedoch eine Impedanz für das Filter in Ω bestimmt, die einer Ersatzimpedanz ZDUT entspricht. Die Form der Filterkurve ändert sich durch die andere Betrachtungsweise nicht, denn eine niedrige Impedanz zeigt eine hohe Dämpfung an. Jedoch lassen sich mit dieser Darstellung Effekte des MLCC unter Spannungseinfluss besser erkennen. Da Filter in sehr unterschiedlichen Kombinationen von Quelle und Senkenimpedanz eingesetzt werden können, wurde mit dem vorliegenden Filter-Board verschiedene Aufbauten gewählt und im Anschluss die Performance untersucht.

Bild 2 zeigt die Eigenschaft des Klasse-1-Keramikkondensators der Größe 0805 mit 10 nF und 10 V Nennspannung. Wie zu erwarten war, besitzt dieser keine Abhängigkeiten von der anliegenden Spannung, da hier eine Klasse-1-Keramik ohne Bariumtitanat eingesetzt wurde.

Bild 3 zeigt die Eigenschaft der Klasse-2-Keramiken X5R und X7R bei einer maximalen angelegten Spannung von 6,3 V. Wie in den Diagrammen zu erkennen ist, ändert sich die Kapazität bei der maximalen Spannung von 6,3 V sehr wenig. Das bedeutet, dass bei einem 2,2 µF, 6,3 V, 0805 MLCC noch sehr viel Keramikmaterial zwischen den Lagen vorhanden ist und somit nicht hochpermeabel sein muss. Dadurch kommt der DC-Bias Effekt kaum zum Vorschein.

In der nachfolgenden Bild 4 wird an dem 2,2 µF, 25 V Kondensator die volle Nennspannung angelegt. Hier sind zwei Effekte zu sehen. Die Kapazität verringert sich durch den DC Bias Effekt um 69% auf 0,68 µF. Dadurch verschiebt sich der Resonanzpunkt des Filteraufbaus. Des Weiteren ist der piezoelektrische Effekt (grüner Kreis) der Klasse-2-Keramik zu sehen. Dieser kann zu einer Geräuschbildung durch die Gefügekontraktion im Kondensator führen und auch deutlich wahrnehmbare Töne im hörbaren Bereich sind durch diesen Effekt möglich. Der grüne Doppelpfeil verdeutlicht die Impedanzerhöhung (Dämpfungsverringerung) als Effekt des verschobenen Resonanzpunkts. So erhöht sich die Impedanz bei 4 MHz von 3 auf 30 mΩ.

Auch bei dem π-Filter findet eine Verringerung der Kapazität statt (Bild 5). Da es sich hier um einen 1 µF, 10 V, X7R handelt, wirkt sich die anliegende Spannung stärker aus. Jedoch nicht so stark wie bei einem normalen LC-Filter. Somit kann man auch mit dem Filteraufbau dem DC-Bias Effekt entgegenwirken.

Wie sich die Messergebnisse simulieren lassen

Die Spannungsabhängigkeit der Keramikkondensatoren der Klasse 2 kann auch mit LTspice simuliert werden. Dazu werden jedoch spezielle Daten benötigt. Das Modell des reellen SMD-Ferrits ist in der Standard Bibliothek von LTspice enthalten, die reellen Modelle der Kondensatoren sind über die Homepage von Würth Elektronik verfügbar und die Kapazitätswerte in Abhängigkeit der angelegten Spannung, aber auch alle anderen Parameter können aus REDEXPERT extrahiert werden. Werden all diese Daten beachtet, kann der Filter in seiner Eigenschaft sehr gut abgeschätzt werden.

Alternative: Alu-Elkos und Alu-Polymer-Elkos

Hochkapazitive Keramikkondensatoren mit mehr als 1 µF sind zwar verfügbar, jedoch sind diese recht teuer. Ebenso besitzen gerade hochkapazitive MLCCs eine sehr starke Abhängigkeit zur angelegten Nennspannung. Besteht die Möglichkeit die Baugröße etwas größer zu wählen, können auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Bei den Alu-Elkos sollte bei der Auswahl der zulässige Ripplestrom beachtet werden. Die Lebensdauer kann auch im Vorfeld abgeschätzt werden. Wenn mehr Langlebigkeit, niedrige ESR-Werte oder hohe Kapazitätswerte benötigt werden, sind Alternativen mit den Alu-Polymer-Elkos gegeben. Ebenso zeigen Alu-Elkos und Alu-Polymer-Elkos gegenüber den SMD-Keramikkondensatoren kein DC-Bias-Verhalten.

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* Frank Puhane ist Technical Project Engineer Capacitors bei der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG in Waldenburg.

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