Mit erhöhtem ESR verlustarm entstören

Smartphones und Tablet-PCs haben immer mehr Leistungsmerkmale und Funktionen. Dadurch wird die Akkulaufzeit zum kritischen Faktor. Neue TDK Störgeräuschabsorber mit bewusst erhöhtem ESR verbessern die Qualität der Stromversorgung ohne Energieverluste.

Die neuen Störgeräuschabsorber der TDK YNA-Serie dämpfen das Rauschen in DC/DC-Wandlern. Darüber hinaus vermeiden sie Antiresonanzen in Entkopplungsschaltungen, ohne die Effizienz der Stromversorgung zu beeinträchtigen. Herkömmliche DC/DC-Wandler von mobilen Geräten können hochfrequente elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen – darunter auch sogenannte Spannungsschwingungen.

Der Grund liegt in den schnellen Schaltvorgängen ihrer Halbleiterbauelemente, wie den MOSFETs. Um das Rauschen zu dämpfen und die Halbleiter zu schützen, wird normalerweise ein RC-Glied (Snubber) parallel zur Eingangsstufe der Stromversorgung geschaltet.

Standardkondensatoren sind auf möglichst niedrige Serienersatzwiderstände (ESR) optimiert. Daher wird beim Einsatz für die EMI-Unterdrückung ein zusätzlicher Widerstand benötigt, um eine ausreichend hohe Impedanz für einen Resonanzkreis zu erreichen. Zwar kann ein klassisches RC-Glied EMI-Funkstörungen und Spannungsschwingungen effektiv unterdrücken, aber der Nachteil bei dieser Lösung ist, dass die Effizienz der Stromversorgung um etwa 4 Prozent sinkt. Aus diesem Grund eignen sich derartige Schaltungen nicht optimal für Smartphones und andere mobile Geräte, die eine lange Akkulaufzeit bieten müssen. Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip eines solchen Resonanzkreises.

Abbildung 1:

Impedanz eines Kondensators in einem Resonanzkreis:

Bei der Eigenresonanzfrequenz (SFR) des Kondensators ist die Impedanz nur vom ESR-Wert des Kondensators abhängig.

Weniger Bauelemente durch YNA-Störgeräuschabsorber

Der neue TDK YNA-Störgeräuschabsorber dämpft Störgeräusche ohne jegliche Energieverluste. Dieses EMV-Vielschicht-Bauelement ist durch den absichtlich erhöhten ESR in der Lage, EMI-Störungen und Spannungsschwingungen ohne zusätzlichen Widerstand zu unterdrücken. Daher kann das Bauelement einen Kondensator in der Eingangsstufe eines DC/DC-Wandlers, wie in Abbildung 2 gezeigt, ersetzen. Spannungsschwingungen treten auf, wenn die Impedanz bei der Eigenresonanzfrequenz (SRF) des Kondensators im RC-Glied abfällt. Bei Verwendung eines Störgeräuschabsorbers der YNA-Serie lassen sich die horizontale und die vertikale EMI-Störstrahlung um bis zu 3,5 dB (Abbildung 3) dämpfen.

Abbildung 2:

Schaltbild eines DC/DC-Wandlers:

TDK YNA-Störgeräuschabsorber können einen Kondensator in der Eingangsstufe eines DC/DC-Wandlers ersetzen.

Abbildung 3:

Unterdrückung von Störgeräuschen in einem DC/DC-Wandler:

Bei Verwendung eines Störgeräuschabsorbers der TDK YNA-Serie lassen sich die horizontale und die vertikale Störstrahlung um bis zu 3,5 dB effektiv verringern.

Innovatives Elektroden-Design für variablen ESR

Das Vielschicht-Bauelement besitzt drei Elektroden (Abbildung 4): zwei Endelektroden und eine externe Elektrode, die nicht mit der Schaltung verbunden ist (NC-Elektrode). Diese dritte Elektrode ist an die Innenelektroden angeschlossen. Der ESR-Wert des Bauelements ist beeinflussbar, indem die Anzahl, die Kombination und das Muster der Innenelektroden verändert wird, die an die NC-Elektrode angeschlossen sind. Störgeräuschabsorber der TDK YNA-Serie sind somit eine platzsparende und energieeffiziente Lösung.

Abbildung 4:

Anordnung der Elektroden der TDK YNA-Störgeräuschabsorber:

TDK YNA-Störgeräuschabsorber verfügen über zwei Endelek-troden und eine externe NC-Elektrode, die an die Innenelektroden angeschlossen ist und keine Verbindung zur Schaltung hat.

Antiresonanz-Unterdrückung in Entkopplungsschaltungen

Die YNA-Serie bietet nicht nur eine hervorragende Dämpfung von EMI-Störungen und Spannungsschwingungen in DC/DC-Wandlern, sondern kann auch effektiv gegen Antiresonanzen in Entkopplungsschaltungen eingesetzt werden. Ein einzelner Kondensator ist nicht in der Lage, den gesamten Störfrequenzbereich abzudecken. Entkopplungsschaltungen kombinieren meist mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten, um über ein breiteres Frequenzband eine niedrige Impedanz sicherzustellen und damit die Auswirkungen von Spannungsschwankungen einzugrenzen.

Antiresonanzen entwickeln sich, wenn zwei Kondensatoren unterschiedliche Eigenresonanzfrequenzen (SRF) besitzen. In Verbindung mit Parallelresonanzen, die in dem Frequenzbereich auftreten, in dem ein Kondensator induktiv wirkt und ein anderer kapazitiv, entstehen große Impedanzmaxima und ein höherer Rauschstrom (siehe Abbildung 5). Dadurch kommt es zu einer plötzlichen Schwankung in der Versorgungsspannung, die bei Signalen Jitter und Phasenverzögerungen verursachen kann. Im schlimmsten Fall führt das zu einem fehlerhaften Verhalten der Kontrolllogik, wodurch die Stromversorgung zu hohe Spannungen liefert, welche die Halbleiterbauelemente schädigen.

Abbildung 5:

Vermeidung von Antiresonanzen:

MLCC-Standardkondensatoren (rote Linie) mit niedrigen ESR-Werten können in Entkopplungsschaltungen zu Impedanzspitzen (Antiresonanzen) führen und Störungen hervorrufen. TDK YNA-Störgeräuschabsorber dagegen (blaue Linie) ermöglichen es, die ESR-Werte anzupassen, und sichern so eine stabile Entkopplung ohne Antiresonanzen.

Da die YNA-Störgeräuschabsorber unabhängig von der Gehäusegröße, Kapazität oder Nennspannung wählbare ESR-Werte bieten, sind sie eine effektive Lösung zur Vermeidung von Antiresonanzen. Weil diese Bauelemente zudem aus den gleichen Materialien bestehen und nach den gleichen Verfahren wie MLCC-Standardkondensatoren hergestellt werden, gibt es keine besonderen Einschränkungen beim Entwurf und dem Layout von Leiterplatten.

Breite Palette von ESR-Werten

Dank des breiten Spektrums von Kapazitäts- und ESR-Werten (siehe Tabelle) eignen sich diese Bauelemente sehr gut, um das Rauschen zu dämpfen und Antiresonanzen in Entkopplungsschaltungen zu verhindern, die durch die Stromversorgung von mobilen Geräten verursacht werden. Außerdem entstehen keine zusätzlichen Verluste und die Anzahl der benötigten Komponenten verringert sich. Die neuen YNA-Störgeräuschabsorber werden in den drei Gehäusegrößen IEC 1005, 1608 und 2012 angeboten.

Tabelle der TDK YNA-Störgeräuschabsorber