Die Forderung, elektronische Schaltungen immer kompakter aufzubauen, hat nicht nur Auswirkungen auf die Auswahl aktiver Komponenten, sondern auch auf die passiven Komponenten für den Filteraufbau, um auftretende Störungen zu bekämpfen.

Electronic collection - fragment a computer PCB with SMD components (Bild: Denis Dryashkin @ Adobe Stock)

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.

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. 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.

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.

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. Bei der Verwendung eines LC-Filters mit einem SMD-Ferrit müssen Entwickler mögliche zu hohe Einschaltströme beachten. 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 die Bauteilserie WE-MPSB mit einer definierten Pulsfestigkeit schaffen.

Um die Spannungsabhängigkeit der Kondensatoren in Bezug auf deren Filtereigenschaften zu untersuchen, bauten die Entwickler und Ingenieure von Würth Elektronik Eisos für den folgenden Testaufbau ein Filter-Board mit verschiedenen LC-Filterkombinationen und π-Filtern auf. Als Induktivität wählten sie ein SMD-Ferrit mit einem ermittelten Induktivitätswert von 1,5 µH, als Kondensatoren nutzten sie WCAP-CSGP der Baugröße 0805. Als Stecker für den Eingang und Ausgang kam jeweils eine SMA-Buchse zum Einsatz. Um die einzelnen Filter aktivieren zu können, verwendeten sie jeweils zwei Jumper pro Filter. Auf ein GND-Guard verzichteten sie, da sich der Aufbau auf einer durchgehenden Massefläche befindet. Die Anbindung der Filterkondensatoren realisierten sie mit je fünf Durchkontaktierungen. 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.

Bild 2: LC-Filter bestehend aus WE-CBF und einem 10 nF-NP0-Keramikkondensator WCAP-CSGP. Würth Elektronik Eisos

Typischerweise wird die Eigenschaft des Filters in dB angegeben. Im vorliegenden Fall bestimmten die Entwickler jedoch eine Impedanz für den Filter in Ω, 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 sich Filter in sehr unterschiedlichen Kombinationen von Quelle und Senkenimpedanz eingesetzen lassen, wählte das Team von Würth Elektronik Eisos für das vorliegenden Filter-Board verschiedene Aufbauten und untersuchte im Anschluss die Performance.

Abbildung 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 zum Einsatz kam.

Bild 3: Filtereigenschaften von X5R (durchgezogene Linie) und X7R (gestrichelte Linie) Keramik mit gleichem Kapazitäts- und Spannungswert (2,2 µF / 6,3 V / 0805). Würth Elektronik Eisos

Abbildung 3 zeigt die Eigenschaft der Klasse-2-Keramiken X5R und X7R bei einer maximalen angelegten Spannung von 6,3 V. Wie in dem Diagramm 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 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 Abbildung 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 mΩ auf 30 mΩ.

Bild 4: Piezoeffekt durch Anlegen der Nennspannungan einen MLCC 0805, 2µF, 25 V, X7R WCAP-CSGP. Würth Elektronik Eisos

Auch bei dem π-Filter findet eine Verringerung der Kapazität statt (Abbildung 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.

Abbildung 5: Einfluss der angelegten Spannung auf ein π-Filter. Würth Elektronik Eisos

Die Spannungsabhängigkeit der Keramikkondensatoren der Klasse 2 lässt sich auch mit LTspice simulieren. Allerdings sind dazu spezielle Daten notwendig. 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 Eisos verfügbar und die Kapazitätswerte in Abhängigkeit der angelegten Spannung lassen sich aus Redexpert extrahieren. Berücksichtigen Entwickler all diese Daten, lässt sich der Filter in seiner Eigenschaft sehr gut abschätzen.

Hochkapazitive Keramikkondensatoren mit mehr als 1 µF sind zwar verfügbar, jedoch sind diese recht teuer. Ebenso besitzen gerade hochkapazitive MLCCs eine starke Abhängigkeit zur angelegten Nennspannung. Besteht die Möglichkeit die Baugröße etwas größer zu wählen, lassen sich auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden. Bei den Alu-Elkos sollten Entwickler bei der Auswahl den zulässigen Ripplestrom beachten. Die Lebensdauer lässt sich ebenso im Vorfeld abschätzen. Wenn mehr Langlebigkeit, niedrige ESR-Werte oder hohe Kapazitätswerte notwendig sind, stellen auch Alu-Polymer-Elkos Alternativen dar. Ebenso zeigen Alu-Elkos und Alu-Polymer-Elkos gegenüber den SMD-Keramikkondensatoren kein DC-Bias-Verhalten.

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