Çip boncuk ferritler, güç kaynakları veya elektrik motorları çalıştırılırken (açılırken) meydana gelen akım tepe değerlerine (piklerine) karşı hassastır. Ancak, optimize edilmiş bir katman tasarımı, bunların kısa süreli yüksek akım dalgalanmalarına (darbelerine) karşı direncini artırır.
Şekil 1: Açılış anındaki tepe akımına sahip tipik bir uygulama (5A/DIV | 100μs/DIV)
Çip boncuk ferrit, serigrafi baskı (screen-printing) işlemi kullanılarak üretilen ve tipik olarak EMC (Elektromanyetik Uyumluluk) filtrelemede kullanılan bir indüktördür. Bileşen, nikel-çinko ferritten oluşur ve birkaç mikrometre kalınlığında dahili bir gümüş iletken katmana sahiptir. Bu yapı, klasik SMD ferritleri maksimum anma akımının üzerindeki akım tepe değerlerine karşı hassas hale verir. Bunlar, bileşenin zarar görmesine veya anında tahrip olmasına neden olabilir.
Bu nedenle, genel olarak SMD ferritler için geçerli olan kural, veri sayfasındaki (datasheet) maksimum nominal akımın, kısa süreli yükleme için izin verilen en büyük akım genliğini de tanımlamasıdır.
SMD Ferritler
Bununla birlikte, WE-MPSB bileşen serisinde, veri sayfalarında ayrı bir tepe akımı değerlendirmesi sunulan çok katmanlı ferritler mevcuttur. Würth Elektronik bu ürünler için optimize edilmiş bir katman tasarımı geliştirmiştir. Bu tasarımın amacı, yüksek akımlara ulaşmak, DC direncini (RDC) %75'e varan oranda azaltmak ve tüm frekans spektrumunda mümkün olan en yüksek empedansı elde etmektir.
Yukarıdaki Şekil 1, tipik bir uygulamayı göstermektedir: devrenin girişindeki çok katmanlı ferrit hat içi (inline) filtre olarak kullanılır. Çalıştırma (açılış) anında, kondansatörün düşük ESR'si (eşdeğer seri direnç) nedeniyle kısa süreliğine çok yüksek bir darbe akımı akar. Bu durum, SMD ferriti belirtilen maksimum nominal akımın birkaç katı ile kısa süreliğine yükler.
Bu örnekte, 'çok katmanlı güç bastırma boncuğu' (MPSB) olarak adlandırılan optimize edilmiş çok katmanlı ferrit, maksimum izin verilen 2.1A nominal akım yüküyle 600Ω empedansa sahiptir. Bu devredeki tekil akım tepe değeri yaklaşık 19A'e ulaşır ve devrenin nominal akımına düşmeden önce 0.8 ms sürer.
SMD ferritler için, maksimum nominal akım genellikle kısa süreli yük altındaki maksimum akım genliğini tanımlar. WE-MPSB serisinde, veri sayfasındaki tepe akımını dikkate alan darbe yüklü çok katmanlı ferritler mevcuttur.
Test Yöntemi
Akım tepe değerleri genellikle anahtarlamalı güç kaynaklarının (SMPS) ve elektrik motorlarının çalıştırılması sırasında oluşur. Tekrarlayan darbelere sahip uygulamalar arasında araçlardaki fasılalı silecek motorları veya lambalar için balastlar yer alır. Özellikle, bir anahtarlama regülatöründeki giriş kondansatörü, giriş yönündeki (upstream) bir EMC filtresinin dayanması gereken yüksek bir akım tepe değerine neden olur. Bu bağlamda darbeler, devrenin DC akımı tamamen sönümlenene kadar 8 ms'den daha kısa süreli akım tepe değerleri olarak kabul edilir.
SMD ferritlerin darbe yük kapasitesini ölçmek için tek tip bir standart, sigortalar için erime integrali (melting integral) tanımında bulunmuştur. Sigortaların I²t değerini belirlemek için, sigorta test sürecine uygun olarak sigortaya 8 ms'lik bir darbe uygulanır; bu süre sigortayı ısıtmak için yeterince uzundur. Eğer sigorta dayanırsa, akım, sigortanın tahrip olmasına yol açana kadar daha da artırılır. Bileşene soğuması için gerekli süreyi vermek amacıyla darbeler arasında 10 saniyelik bir duraklama gerekir.
Şekil 2'deki dikdörtgen darbe, çalıştırma anında çok nadiren karşılaşılmasına rağmen, darbe süresi boyunca bileşene mümkün olan en yüksek enerjiyi yüklediği için tüm testlerde darbe şekli olarak seçilmiştir.
Şekil 2: Açılış anındaki olası darbe şekilleri. Kare dalga darbe, bileşen üzerindeki en yüksek yükü temsil eder ve bu nedenle test rutininde kullanılmaktadır
Deneysel Olarak Ölçülen Darbe Dayanıklılığı
Veri sayfası değeri (Şekil 3) 2 ms'de maksimum 24A olarak belirtilmiştir. Hesaplanan I²t değeri bu nedenle ölçülen değerlerden önemli ölçüde sapma gösterir. Sonuç olarak, çok katmanlı bir ferrite uygulanan erime integrali I²t'nin bilinen hesaplamasını kullanmak mümkün değildir.
Şekil 3: Veri sayfasına göre belirtilen tepe akım taşıma kapasitesi
SMD ferritler, çok katmanlı yapıları nedeniyle genellikle yüksek darbe akımları için uygun değildir. Yüksek akımları işleyen optimize edilmiş bir katman tasarımı, %75'e kadar daha düşük RDC'ye ve tüm frekans spektrumunda mümkün olan en yüksek empedansa sahiptir. Empedans ve akım genliğine bağlı olarak, her bir bileşen için en uygun tasarım kullanılır.
Şekil 4'te solda gösterilen akım-darbe süresi eğrisi, test edilen ilgili darbe süreleri için izin verilen maksimum tepe akımını göstermektedir. Test edilen aralık 0.5 ms ile 8 ms arasındadır.
Tekrarlayan darbeler için izin verilen maksimum darbe akımı (Şekil 4) ikinci eğride yer almaktadır. Bu eğri, tekrarlayan darbeler için maksimum tepe akımının limit değer değerlendirmesidir. Eğriyi belirlemek için maksimum 8 ms'lik bir darbe uzunluğu seçilmiştir.
Şekil 4: Akımın, darbe süresinin ve 8 ms'deki darbe sayısının bir fonksiyonu olarak gösterimi
Darbe Yük Kapasitesi
SMD ferritlerin darbe yük kapasitesini etkileyen birincil faktörler şunlardır:
- Standart olarak 0.5 ms ile 8 ms arasında test edilen darbe uzunluğu t. Darbe ne kadar uzun olursa, maksimum darbe yükü kapasitesi o kadar düşük olur.
- 10 ila 100.000 darbe arasında test edilen darbe sayısı (Şekil 4). Darbe sayısı arttıkça, izin verilen maksimum darbe yükü kapasitesi azalır.
- Dikkate alınması gereken üçüncü azaltıcı faktör ise sıcaklıktır: Sıcaklık arttıkça RDC artar ve bu da maksimum darbe yükünde daha fazla azalmaya yol açar.
Bu birbirine bağlı sistemlerin her biri, münferit darbeler arasındaki temel duraklama süresine bağlıdır. Daha kısa duraklama süresine sahip bu sistemi analiz etmek için sıcaklık [T], darbe tekrarları [n] ve darbe uzunluğu [t] gibi etkileyici faktörlerin ölçülmesi gerekir. WE-MPSB serisinin amacı, WE-CBF serisininkine benzer bir empedans elde etmektir.
WE-MPSB
Nominal akım aşıldığında WE-CBF bileşenleri genellikle tahrip olurken, WE-MPSB bileşenleri daha yüksek darbe akımlarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır (Şekil 5).
Şekil 5: WE-MPSB serisi, daha yüksek bir darbe akımı taşıma kapasitesi için tasarlanmıştır ve böylece çalıştırma (açma) işlemi sırasında meydana gelen akım tepe değerlerine dayanır
Şekil 6'da gösterilen 0805 boyutundaki 600Ω tipleri örneğinde, WE-MPSB serisi daha yüksek bir nominal akıma sahiptir. Bu, daha düşük dirençten kaynaklanmaktadır.
Şekil 6: WE-CBF ve WE-MPSB 600 Ω tiplerinin empedans ve nominal akım taşıma kapasitesinin karşılaştırılması
WE-MPSB serisi, WE-CBF serisinin benzer bir bileşenine göre önemli ölçüde daha yüksek bir darbe yük kapasitesine sahiptir. Şekil 7, solda WE-CBF 600Ω tipinin maksimum darbe yüksekliğini ve sağda karşılaştırılabilir WE-MPSB 600 Ω tipinin maksimum darbe yüksekliğini göstermektedir.
Şekil 7: WE-CBF ve WE-MPSB serilerinin darbe yük kapasitesinin karşılaştırılması
WE-MPSB serisi, çok katmanlı ferritleri nominal akımı aşan kısa süreli tepe akımlarıyla yükleyen devrelerin gereksinimlerine göre geliştirilmiştir. Mevcut çok katmanlı yapılara kıyasla, katman yapısı daha düşük dirençler sayesinde daha yüksek bir akım taşıma kapasitesi elde edecek şekilde optimize edilmiştir. Bu, WE-MPSB serisini özellikle darbe akımlı devrelerde kullanım için uygun hale getirir.
Geniş Bileşen Yelpazesi
5A'in üzerindeki akımlar için, PCB tasarımları iletken yolların akım taşıma kapasitesinde giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Würth Elektronik şu anda buna yönelik tasarım ipuçları üzerinde çalışmaktadır.