Einführung in das LC-Filterdesign mit MLCCs: Warum die angelegte Spannung wichtig ist

Kompakte elektronische Schaltungen sind sehr gefragt, doch dies ist immer von den aktiven und passiven Komponenten abhängig, für die sich ein Entwickler entscheidet.

Dank immer kleinerer Gehäuse gibt es viele Möglichkeiten für den diskreten Aufbau und für kleinere Filterkomponenten. Früher wurden LC-Filter beispielsweise mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren gebaut, da diese ein sehr breites Spektrum an Kapazitätswerten bieten. Dieser Vorteil wird jedoch immer geringer.

Die Fortschritte in der Keramikkondensatortechnologie ermöglichen nun die Herstellung von hochkapazitiven SMD-Keramikkondensatoren (Multilayer Ceramic Chip Capacitors - MLCCs).

In Bezug auf den Platzbedarf ist dies ein großer Vorteil. Es gibt jedoch einige Nachteile.

In den nächsten paar Blog-Posts werden wir uns den erheblichen Einfluss der Gleichspannung auf den Kondensator und damit das Filterdesign genauer ansehen. Der Fokus liegt auf einem LC-Tiefpassfilter, wie er als Ein- oder Ausgangsfilter für Schaltregler oder als Stromversorgungsfilter für ein Modul verwendet wird.

Wir hoffen, dass Sie einige neue Aspekte über MLCCs mitnehmen können!

Typen und Eigenschaften von MLCCs

MLCCs lassen sich im Wesentlichen in zwei Typen unterteilen: solche, die Keramik der Klasse 1 verwenden, und solche, die Keramik der Klasse 2 verwenden.

Keramiken sind sehr spröde Materialien, und ihre mechanische Zerbrechlichkeit nimmt mit zunehmender Größe zu. Daher ist die maximale Größe der MLCCs begrenzt, und bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass die mechanischen Kräfte reduziert werden.

Keramiken der Klassen 1 und 2 unterscheiden sich auf unterschiedliche Weise. Tabelle 1 in der Application Note ANP062 zeigt die technischen Eigenschaften der bei Würth Elektronik verwendeten Keramiken.

Die Eigenschaften und Toleranzen der verschiedenen Keramikklassen werden durch das IEC- oder EIA-Codierungssystem definiert. Es sei erwähnt, dass das IEC 60384-21-Kodierungssystem normalerweise nicht für Keramiken der Klasse 1 verwendet wird, aber es gibt einen sehr bekannten Begriff: NP0. Dies hat die gleiche Bedeutung wie der UVP-Code C0G. Diese sind in den Abbildungen 1 und 2 unserer ANP062 Application Note dargestellt.

NP0 hat eine sehr geringe Toleranz über seinen Temperaturbereich: +/-30 ppm/°C. Die EIA-Codierung wird typischerweise bei Keramiken der Klasse 2 verwendet, einschließlich Keramiken wie X7R oder X5R. Je nach Anwendung muss der Kondensator eine bestimmte Kapazität aufweisen, um die gewünschte Leistung zu erreichen - z.B. zur Filterung. Das Verhältnis dieser zur Temperatur ist in Abbildung 4 dargestellt. X7R bedeutet, dass die Kapazität zwischen -55 °C und +125 °C nicht mehr als +/-15 % schwanken darf.

Somit kann der Kapazitätswert für eine 10 μF Klasse 2 Keramik innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs zwischen 8,5 μF und 11,5 μF variieren. Jede Keramikmischung, die diese Eigenschaft hat, ist eine X7R-Keramik. Zusätzlich zu dieser Toleranz gibt es noch die Liefertoleranz des Herstellers am Tag der Lieferung. Dies sind typischerweise weitere +/-10 %.

Die Keramikklasse oder der Keramikcode definiert jedoch nicht die Zusammensetzung einer X7R-Keramik (Pulverpartikelgröße, Materialmix, etc.).

Darüber hinaus kann jede Keramik, die in der Lage ist, ihre Kapazität innerhalb des angegebenen Toleranzfensters über den Temperaturbereich zu halten, als X7R bezeichnet werden. Dies kann je nach Hersteller variieren. Daher müssen die Eigenschaften der einzelnen Komponenten genau verglichen werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Der sogenannte DC-Bias-Effekt, d.h. die Spannungsabhängigkeit der Kapazität, hat einen sehr großen Einfluss auf die Kapazität. Bei Keramiken der Klasse 2 führt die angelegte Spannung zu einem Kapazitätsabfall. Dies ist auf die innere Struktur des als Basismaterial verwendeten Bariumtitanats zurückzuführen. Die Verwendung von Bariumtitanat erzeugt zwar hochpermeable Keramiken, aber diese haben auch innere Strukturen, die auf externe elektrische Felder reagieren und durch diese polarisiert werden. Dies führt zu einer gewissen Sättigung des Materials und damit zu einem Kapazitätsabfall.

Diese Eigenschaft ist vergleichbar mit der Sättigung von ferromagnetischen Materialien (z.B. Ferritmaterial). Daher soll dieses Material auch ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 5 dargestellt. Es stammt von der Online-Plattform REDEXPERT von Würth Elektronik und zeigt den prozentualen Kapazitätsabfall bei angelegter Spannung, in diesem Fall mit der Artikelnummer. WCAP-CSGP 885 012 206 026 (1 µF, 0603, 10 V, X7R) als Beispiel.

Ein weiterer Effekt kann genutzt werden, um nachzuweisen, dass es sich um tatsächliche Messdaten handelt. Bei niedriger Spannung zeigt dieser Kondensator eine gewisse Selbstheilungswirkung des keramischen Materials. Man könnte sich das auch so vorstellen, dass die Keramik zuerst "aufgeweckt" werden muss.

Wenn Spannung angelegt wird, beginnt der Heilungs- und Polarisationsprozess. Ab einer bestimmten angelegten Spannung (im Beispiel etwa 2,1 V) wird das Material gesättigt und die verfügbare Kapazität reduziert. Dieses Merkmal muss für jede einzelne Komponente erfasst und untersucht werden. Mit rund 800 aktuellen Katalogpositionen in der Kategorie MLCCs ist dies ein sehr aufwändiger Prozess. Würth Elektronik hat diese Daten für jede MLCC in seinem Portfolio erfasst und in die REDEXPERT-Online-Plattform integriert.

Nächstes Thema: Filter-Design

Die Wirkung der spannungsabhängigen Kapazität muss bei der Auswahl eines Kondensators für die jeweilige Anwendung individuell berücksichtigt werden. In unseren nächsten Beiträgen werden wir uns die verschiedenen LC-Filterdesigns mit MLCCs ansehen.

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