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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Bild 7: Einfaches

Design Bild 7: Einfaches Routing von vier parallelen LTM4636 Kanälen durch Kopieren des Layouts eines Kanals Ein POL-Regler muss in seiner Applikation alle Erfordernisse erfüllen und der ausgewählte Regler einen zuverlässigen Betrieb auf dem Board sicherstellen, auf dem die Wärmeentwicklung über den Erfolg der Applikation entscheidet. Der nachfolgende Auswahlprozess für einen POL-Regler konzentriert sich Schritt für Schritt auf die thermische Leistung: Werte für die Leistungsdichte ignorieren: Die Spezifikationen der Leistungsdichte berücksichtigen nicht das thermische Derating, welches einen viel größeren Einfluss hat als die effektive, realistische Leistungsdichte. Kurven für das thermische Derating prüfen: Ein gut dokumentierter POL- Regler sollte Diagramme zeigen für den Ausgangsstrom über verschiedene Eingangsspannungen, über die Ausgangsspannungen und die Höhe der Zwangsbelüftung. Dabei sollten die Ausgangsströme unter echten Betriebsbedingungen gezeigt werden, damit man die thermischen und Lastbedingungen beurteilen kann und man feststellen kann, ob im vorgesehenen System die Anforderungen bezüglich der maximalen Umgebungstemperatur und dem Luftdurchsatz erfüllt werden. Es sei daran erinnert, dass das Ausgangsstrom Derating von der thermischen Leistung des Bauteils abhängt. Beide sind eng voneinander abhängig und gleichwertig. Effizienz betrachten: Effizienz sollte nicht das Hauptaugenmerk sein. Für sich alleine betrachtet ergibt sich daraus ein unpräzises Bild der thermischen Charakteristik eines DC/DC- Reglers. Natürlich sind die Effizienzangaben erforderlich für die Berechnung des Eingangsstroms und des Laststroms, sowie der Verlustleistung und der Sperrschichttemperatur. Die Effizienzwerte müssen aber mit dem Derating des Ausgangsstroms und den anderen thermischen Daten des Bauteils und dessen Gehäuse kombiniert betrachtet werden. Z.B. ist ein mit 98% effizienter DC/DC-Abwärtswandler eindrucksvoll, besser noch, wenn er eine super Leistungsdichte aufweist. Kauft man dann einen Regler mit geringerer Effizienz und Leistungsdichte? Ein kluger Designer würde sich aber fragen, wo die ziemlich hohen 2% Effizienzverluste herkommen und wie sich diese Verluste auf die Gehäusetemperatur im Betrieb auswirken? Und wie hoch ist die Sperrschichttemperatur dieses effizienten Reglers mit der hohen Leistungsdichte bei einer Umgebungstemperatur von 60 °C und einem Luftstrom von 200 LFM (linear feet per minute)? Man sollte nicht nur die typischen Werte beachten, die für eine Raumtemperatur von 25 °C angegeben sind, sondern prüfen, was sind die maximalen und minimalen Werte gemessen bei den extremen Werten wie -40 °C, 85 °C oder 125 °C? Bei hoher Leistungsdichte steigt die thermische Impedanz stark an, da muss man prüfen, ob die Sperrschichttemperatur über der Temperatur einen sicheren Betrieb gewährleistet? Auch muss man prüfen, ob ein großes Derating den Einsatz eines hocheffizienteren aber teureren POL-Regler erfordert? Und beschränkt der zurückgenommene Ausgangsstrom die Ausgangsleistung soweit, dass der Einsatz des Bauteils nicht mehr zu rechtfertigen ist? Überlegungen zur Kühlung: Die im Datenblatt des POL- Reglers genannte thermische Impedanz ist wichtig für die Simulation und Berechnung des Anstiegs von Sperrschichttemperatur, von Umgebungstemperatur und Gehäusetemperatur des Bauteils. Da bei SMDs ein großer Teil der Wärme von der Unterseite des Gehäuses auf die Leiterplatte fließt, müssen Leiterplattenlayout-Vorschriften und Hinweise im Datenblatt genannt sein, um Überraschungen bei den Prototypen zu minimieren. Ein gut designtes Gehäuse sollte die Wärme gut über die Oberfläche abgeben und Hot Spots vermeiden, da diese Zuverlässigkeit des POL-Reglers vermindern. Wie bereits beschrieben, ist die Leiterplatte verantwortlich für die Ableitung und Verteilung der Wärme eines SMT POL-Reglers. Aber mit der heute üblichen Zwangsbelüftung der dichten und komplexen Systeme, wird ein clever designter POL-Regler diese bereits vorhandene Kühlmöglichkeit in Anspruch nehmen, um die Wärme von MOS- FETs und Induktoren abzuleiten. Wärme auf Gehäuseoberfläche und in die Umgebung leiten Ein Hochleistungs POL-Schaltregler benötigt einen Induktor oder Transformator zur Wandlung der Eingangsspannung in eine geregelte Ausgangsspannung. In einem nicht-isolierten Abwärtsregler kommt ein Induktor zum Einsatz. Dieser und die zugehörigen Schaltelemente wie z.B. MOSFETs erzeugen während der DC/DC-Wandlung Wärme. Seit etwa einer Dekade ist es möglich, die gesamte DC/DC- Reglerschaltung einschließlich der Induktivitäten gemeinsam in Bild 8: Präzise Stromaufteilung zwischen vier parallelgeschalteten LTM4636 mit nur 40 °C Temperaturanstieg in einer 160 A Applikation 30 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Design einem gespritzten Kunststoffgehäuse unterzubringen. Bei diesen Modulen oder SiPs, wird die Masse der im Kunststoffgehäuse generierten Wärme von der Unterseite des Gehäuses auf die Leiterplatte übertragen. Jeder konventionelle Versuch die Wärmeabfuhr zu verbessern, führte dabei zu größeren Gehäusen z.B. durch das Anbringen eines Kühlkörpers auf der Oberseite des SMDs. Vor einigen Jahren wurde aber eine innovative Modulgehäusetechnik entwickelt, die die Vorteile der Zwangsbelüftung zur Kühlung nutzt. In diesem Gehäusedesign ist die Wärmesenke im Gehäuse integriert und mit eingespritzt. Im Gehäuse ist die Unterseite der Wärmesenke direkt mit den MOSFETs und Induktoren verbunden, die die Wärme erzeugen. Die ebene Oberfläche der Wärmesenke befindet sich dann an der Oberfläche des Gehäuses. Diese neue so genannte intra-packaging Wärmesenkentechnik ermöglicht die Zwangsbelüftung des Gehäuses (hierzu siehe beispielhaft die LTM4620 TechClip Videos unter: www.linear.com/ solutions/4936). Eine vertikale Lösung: POL-Modulregler mit gestapeltem Induktor als Wärmesenke Bild 9: Effizienz des 140 W Reglers mit vier µModulen Die Größe des Induktors in einem POL Regler hängt ab von der Spannung, der Schaltfrequenz, dem Strom und seiner Konstruktion. In einem Modul, in dem sich die DC/DC-Schaltung einschließlich dem Induktor in einem gekapselten, umspritzten Kunststoffgehäuse ähnlich einem IC befinden, bestimmt der Induktor die Stärke, das Volumen und das Gewicht des Gehäuses mehr als alle anderen Komponenten und der Induktor ist gleichzeitig die wesentliche Wärmequelle. Integriert man die Wärmesenke in das Gehäuse, wie beschrieben, bringt man die Wärme von MOSFETs und Induktor auf die Oberfläche des Gehäuses. Von dort gelangt sie an die Umgebungsluft, an eine Kühlplatte oder einen passiven Kühlkörper. Diese Technik ist bei relativ kleinen Induktoren für geringe Ströme effizient, da diese gut in das umspritzte Gehäuse passen. Erfordert der POL-Regler aber große Induktoren für hohe Ströme, müssen die anderen Komponenten der Schaltung abseits platziert werden, was den Platzbedarf für das Gehäuse erhöht. Um diesen klein zu halten, haben die Gehäuseentwickler einen Trick angewandt: Den Vertikalaufbau, den Stapel oder die 3D Lösung (Bild 1). 3D-Gehäuse mit gestapeltem Induktor hält Platzbedarf gering, erhöht die Leistung und verbessert die Wärmeabfuhr Geringer Platzbedarf, höhere Leistung und bessere thermische Leistung - alle drei Kriterien sind gleichzeitig erfüllt mit den 3D-Gehäusen, eine neue Methode für die Konstruktion von POL-Reglern (Bild 1). Der LTM4636 ist ein so genannter µModule® Regler mit onboard DC/DC-Regler-IC, MOSFETs, Zusatzschaltkreisen und einem großen Induktor zur Verringerung des Ausgangsripple und zur Bereitstellung des Laststroms von 40 A aus einem 12-V-Eingang zu einer präzise geregelten Ausgangsspannung im Bereich von 3,3 V bis 0,6 V. Vier parallelgeschaltete LTM4636 liefern dann einen Laststrom bis 160 A. Die benötigte Fläche beträgt nur 16 mm × 16 mm. Ein weiterer Regler dieser Familie, der LTM4636-1, erkennt Übertemperatur und Überspannung an Ein- und Ausgang. Er kann zum Eigenschutz und zum Schutz der Last einen Schutzschalter auslösen oder eine nachfolgende Stromversorgung abschalten. Leistungsenthusiasten werden die Leistungsdichte des LTM4636 berechnen und beeindruckt sein. Aber Leistungsdichte ist nur die halbe Wahrheit, wie bereits beschrieben. Es gibt andere wesentliche Vorteile der µModule-Regler für den Systemdesigner: beste thermische Leistung wegen der beeindruckenden DC/DC-Wandlungseffizienz und ein einzigartiges Wärmemanagement. Um den Platzbedarf des Reglers zu minimieren (16 mm × 16 mm BGA), ist der Induktor erhöht auf zwei Kupferträgern untergebracht, so dass die anderen Komponenten (Diode, Widerstände, MOSFETs, Kondensatoren, DC/DC-IC) auf einem Substrat darunter aufgelötet werden können. Da der Induktor oben auf diesem Substrat angebracht ist, benötigt ein µModule-Regler nur 256 mm 2 auf der Leiterplatte verglichen zu einer Fläche von sonst 1.225 mm 2 ohne 3D-Lösung (Bild 2). Die Konstruktion mit dem gestapelten Induktor bietet dem Systemdesigner einen kompakten POL-Regler mit dem zusätzlichen Vorteil einer sehr guten thermischen Leistung. Der gestapelte Induktor im LTM4636 ist nicht mit Kunststoff umspritzt wie die restlichen Komponenten. Er ist so direkt dem Luftstrom ausgesetzt und seine Form mit den abgerundeten Ecken unterstützt den minimalen Luftwiderstand. Thermische Leistung und Effizienz D e r LT M 4 6 3 6 i s t e i n 40-A-µModule-Regler mit den Vorteilen der 3D-Gehäusetechnologie, oder auch Componenton-Package (CoP) genannt, wie in Bild 1 gezeigt. Der Körper des Gehäuses ist ein umspritztes 16 mm × 16 mm × 1,91 mm BGA-Gehäuse. Mit dem gestapelten Induktor auf der umspritzten Sektion hat das komplette Gehäuse eine Höhe von 7,16 mm gemessen vom Boden der 144 BGA-Lötkugeln bis zum oberen Ende des Induktors. Zusätzlich zur Wärmeabgabe über die Oberseite, bringt der LTM4636 vom Gehäuseboden auch effizient Wärme auf das Board. Die 144 BGA-Lötkugeln sind in Bereichen extra für GND, V IN und V OUT angeordnet, da hier große Ströme fließen. Die Lötkugeln fungieren gemeinsam als Wärmesenke auf das Board. Der LTM4636 ist generell optimiert, die Wärme von der Ober- wie von der Unterseite abzugeben. Selbst bei Betrieb mit hohem Wandlungsverhältnis mit 12 V Eingang und 1 V Ausgang sowie bei voller Last von 40 A (40 W) und einem Standardluftstrom von 200 LFM steigt die Gehäusetemperatur des LTM4636 nur um 40 °C gegenüber der Umgebungstemperatur an (25 °C–26,5 °C). Bild 4 zeigt eine Thermoaufnahme des LTM4636 unter diesen Bedingungen. Bild 5 zeigt das thermische Derating. Bei 200 LFM liefert der LTM4636 den vollen Strom von 40 A bis zu einer Umgebungstemperatur von 83 °C. Beim halben Strom von 20 A tritt ein Derating nur bei der sehr hohen Umgebungstemperatur von 110 °C auf. Solange der gezeigte Luftstrom vorhanden ist, kann der LTM4636 seine Leistung ganz entfalten. HF-Einkaufsführer 2017/2018 31

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