Las ferritas chip bead pueden hacerse más resistentes a las sobreintensidades de corriente, escriben los autores de Würth Elektronik Markus Holzbrecher y Mohamed Koobar en un análisis técnico publicado en Electronics Weekly.
Las ferritas chip bead son sensibles a los picos de corriente, que típicamente ocurren al encender fuentes de alimentación o motores eléctricos. Sin embargo, un diseño de capas optimizado mejora su resistencia a sobreintensidades breves de alta corriente.
¿Qué es una ferrita chip bead?
Una ferrita chip bead es un inductor fabricado por proceso de serigrafía y usado típicamente en filtrado EMC. El componente se construye con una ferrita de níquel-zinc y tiene una capa conductora interna de plata de unos pocos micrómetros de espesor. Esta estructura hace al SMD clásico susceptible a picos por encima de la corriente máxima nominal, lo que puede llevar a daño o destrucción inmediata.
Lo siguiente, por tanto, aplica a las ferritas SMD en general: la corriente máxima nominal en el datasheet también define la amplitud máxima permitida bajo carga de corta duración.
La serie WE-MPSB de Würth Elektronik
Con la serie WE-MPSB, Würth Elektronik dispone de ferritas multicapa cuyo datasheet ofrece una consideración de corriente pico separada. La empresa desarrolló un diseño de capas optimizado para estos productos con tres objetivos: lograr corrientes altas, reducir la resistencia DC (R_DC) hasta un 75%, y mantener la mayor impedancia posible en todo el espectro de frecuencias.
El uso típico se ilustra en la figura inicial del artículo: la ferrita multicapa en la entrada del circuito funciona como filtro inline. Al encendido fluye brevemente una corriente de pulso muy alta debido al bajo ESR del capacitor. Esto carga la ferrita SMD con varias veces la corriente máxima nominal especificada.
En este ejemplo, la ferrita multicapa optimizada —llamada multilayer power suppression bead (MPSB)— tiene una impedancia de 600Ω con carga nominal máxima permitida de 2,1A. El pico de corriente alcanza un valor de aproximadamente 19A y dura 0,8ms antes de decaer a la corriente nominal del circuito.
¿Cómo se mide la capacidad de pulso?
Los picos de corriente ocurren a menudo al encender fuentes conmutadas y motores eléctricos. Aplicaciones con pulsos recurrentes son los motores de limpiaparabrisas intermitentes en vehículos o balastros para lámparas. En particular, el capacitor de entrada en un regulador conmutado suele causar un pico de corriente alto que el filtro EMC debe soportar.
Un estándar uniforme para medir la capacidad de pulso de las ferritas SMD se encontró en la definición del melting integral para fusibles. Para determinar el valor I²t de los fusibles se aplica un pulso de 8ms al fusible; si aguanta, se aumenta la corriente hasta destruirlo. Se requiere una pausa de 10 segundos entre pulsos para enfriar el componente.
Figura 2: Posibles formas de pulso al momento del encendido. El pulso rectangular representa la mayor carga sobre el componente y por eso se usa en la rutina de prueba.
Resistencia de pulso medida empíricamente
El valor de datasheet (Figura 3) se especifica como un máximo de 24A a 2ms. El valor I²t calculado difiere significativamente de los valores medidos. En consecuencia, no es posible usar el cálculo conocido del melting integral aplicado a una ferrita multicapa.
Figura 3: Capacidad de corriente pico especificada según datasheet.
Las ferritas SMD generalmente no son adecuadas para corrientes de pulso altas debido a su estructura multicapa. Un diseño optimizado de capas que sí maneja corrientes altas tiene hasta 75% menos R_DC y la mayor impedancia posible en todo el espectro. Dependiendo de la impedancia y la amplitud, se usa el diseño óptimo para cada componente.
Figura 4: Representación de la corriente en función de la duración del pulso y el número de pulsos a 8ms.
¿Qué factores influyen en la capacidad de pulso?
Los factores principales que influyen en la capacidad de pulso de las ferritas SMD son:
- La longitud del pulso t, sometida a prueba de 0,5ms a 8ms como estándar. A mayor duración, menor capacidad máxima de pulso.
- El número de pulsos, probado de 10 a 100.000 pulsos. A medida que aumenta el número de pulsos, la capacidad máxima permitida disminuye.
- La temperatura: a medida que sube, aumenta el R_DC, lo que reduce aún más la capacidad máxima de pulso.
Figura 5: La serie WE-MPSB está diseñada para mayor capacidad de corriente pico y por eso soporta los picos que ocurren al encendido.
WE-CBF vs WE-MPSB
Mientras los componentes WE-CBF generalmente se destruyen si se excede la corriente nominal, los WE-MPSB están diseñados para soportar corrientes de pulso más altas.
Figura 6: Comparación de la impedancia y la capacidad de corriente nominal de las series WE-CBF y WE-MPSB de 600Ω.
Tomando el ejemplo del tipo 600Ω en formato 0805, la serie WE-MPSB tiene una corriente nominal mayor por su resistencia menor.
Figura 7: Comparación de la capacidad de pulso de las series WE-CBF y WE-MPSB.
Cierre: rango amplio de componentes
Para corrientes superiores a 5A, los layouts de PCB juegan un rol cada vez más importante en la capacidad de las pistas conductoras. Würth Elektronik está trabajando actualmente en guías de diseño para este caso.
