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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Skalierbare

Design Skalierbare Hochleistungs-POL-Regler kühl und auf wenig Platz betreiben Bild 1: High Power POL-Reglermodule in vertikaler 3D-Gehäusetechnologie mit Induktor Huckepack auf dem IC, der dem Luftstrom ausgesetzt als Wärmesenke wirkt. Die restliche DC/DC-Schaltung ist auf dem Substrat unter dem Induktor aufgebaut, das verringert die Leiterplattenfläche und verbessert die thermische Leistung Die Kunst, effiziente und kompakte DC/DC-Wandler zu entwickeln, ist Aufgabe von Spezialisten, die über große Kenntnisse der Physik und der nötigen Mathematik verfügen, kombiniert mit einer gesunden Dosis Laborerfahrung. Hierzu zählen Kenntnisse des Bode- Diagramms, der Maxwellschen Gleichungen und des Einflusses von Polen und Nullstellen auf ein elegantes DC/DC-Wandlerdesign. Trotzdem vermeiden diese IC-Designer oft den Blick auf die Wärmeentwicklung, eine Tätigkeit, die sie dem Gehäuseentwickler zusprechen. Afshin Odabaee Business Unit Manager, Power Modules Linear Technology now Part of Analog Devices Temperatur ist ein wichtiges Kriterium bei Point-of-Load (POL) Wandlern, bei denen zwischen den ICs wenig Platz ist. Ein POL-Regler erzeugt Wärme, da keine Spannungsumsetzung mit 100% Effizienz erfolgt (noch nicht). Wie warm wird nun das Gehäuse aufgrund seiner Konstruktion, seines Layouts und seiner thermischen Impedanz? Die thermische Impedanz des Gehäuses erhöht nicht nur die Temperatur des POL-Reglers, sie erhöht auch die Temperatur des Boards und der umgebenden Komponenten, was zur Komplexität, Größe und Kosten des Wärmemanagements beiträgt. Der Wärmetransport vom DC/ DC-Wandlergehäuse auf das Board erfolgt nach zwei Strategien: Verteilung über das Board: Ist der Wandler-IC oberflächenmontierbar, verteilen Kupfervias und -lagen des Boards die Wärme weg vom Boden des Gehäuses auf das Board. Ist die thermische Impedanz des Gehäuses zum Board gering genug, ist das positiv. Zwangsbelüftung: Ein kühler Luftstrom entfernt die Wärme vom Gehäuse (Die Wärmeübertragung erfolgt dabei mit kalten Luftmolekülen, die über die Gehäuseoberfläche streichen.). Es gibt viele Methoden der passiven und aktiven Wärmeabfuhr, zur Vereinfachung der Diskussion, werden diese Möglichkeiten im Folgenden hier nicht näher betrachtet. Wird der Leiterplatten-Designer mit hohen Komponenten-Temperaturen konfrontiert, greift er in den Werkzeugkasten für das Wärmemanagement: zusätzliches Kupfer, Kühlkörper oder größere und schnellere Lüfter oder einfach mehr Volumen einsetzen - d.h. mehr Boardfläche - und den Abstand zwischen den Komponenten und dem Board vergrößern oder einfach dickere Leiterplattenlagen verwenden. Mit diesen Werkzeugen erfüllt man die Temperaturanforderungen, aber diese Abhilfemaß- Bild 2: Der gestapelte Induktor des LTM4636 verdoppelt die Wärmesenke zur Verbesserung der thermischen Leistung der kompletten POL-Lösung auf wesentlich kleinerer Fläche 28 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Design Bild 3: Das modellierte thermische Verhalten des LTM4636 zeigt, dass die Wärme direkt zum Induktorgehäuse gelangt, das dem kühlenden Luftstrom ausgesetzt ist Bild 4: Der 40 W Regler zeigt einen Temperaturanstieg von nur 40 °C nahmen führen nicht zwangsläufig zu einem wettbewerbsfähigen Produkt. Es wird zu groß, durch den Lüfter zu laut und kann nicht bestehen in einem Markt, in dem Größe, Rechenleistung, Datenrate, Effizienz und Kosten zählen. Ein erfolgreiches thermisches Management am Hochleistungs-POL-Regler setzt die richtige Reglerauswahl voraus. Diese Artikel zeigt wie die Auswahl des richtigen Reglers dem Boarddesigner seine Arbeit erleichtern kann. Nicht nur auf die Leistungsdichte achten Verschiedene Marktfaktoren zwingen dazu, die thermische Leistung von Elektronikgeräten zu verbessern. Am wichtigsten dabei: ständige Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Verringerung der Gerätegröße. Digitale Bausteine mit Strukturen von 28 nm–20 nm verbrauchen Energie, um Leistung zu liefern. Die IC-Entwickler nutzen diese kleinen Strukturen für schnellere, kleinere, leisere und effizientere Komponenten. Daraus folgt bei POL-Reglern eine immer höhere Leistungsdichte: d.h. Leistung pro Volumen oder Leistung pro Fläche. Es überrascht nicht, dass die Leistungsdichte in den Datenblättern an erster Stelle steht. Ein guter Wert dafür hebt sie aus der Masse der Regler hervor und man kommt zu dem Schluss, dass ein 40 W/cm 2 POL- Regler besser sein muss als ein 30 W/cm 2 Regler. Die Produktdesigner wollen ihre Hochleistungsschaltungen in immer kleinere Gehäuse packen, und sensationelle Werte für die Leistungsdichte erscheinen auf den ersten Blick als erste Wahl für ein schnelles, kleines, leises und effizientes Produkt. Aber wie wichtig ist die Leistungsdichte schließlich für ein erfolgreiches Endprodukt? Weniger wichtig als man denkt. Bild 5: Das thermische Derating zeigt, dass bis zu einer Umgebungstemperatur von 83 °C der volle Strom geliefert werden kann, dies bei 200 LFM (LFM=linear Feet pro Minute) Bild 6: Hohe DC/DC-Wandlungseffizienz bei verschiedenen Ausgangsspannungen HF-Einkaufsführer 2017/2018 29

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel