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8-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Jüngste

Design Jüngste µModule-Regler helfen Entwicklern neue Leistungsziele zu erreichen Die Entwickler von elektronischen Systemen für den militärischen Einsatz stehen einer Vielzahl von herausfordernden Entwicklungszielen gegenüber, weil sie sich, zusätzlich zu den ständigen Leistungssteigerungen, die man von ihnen erwartet, in einer Umgebung befinden, die von einem immer schnelleren Wandel gekennzeichnet ist. Steve Munns Mil-Aero Marketing Manager Linear Technology Corporation www.linear.com Budgetkürzungen haben zu großen Umstrukturierungen von Unternehmen, Geschäftsdiversifizierung in parallele Märkte und zur Globalisierung der Verteidigungsindustrie geführt. Dies bringt wiederum neue Wettbewerber ins Spiel und unvermeidlich kommerziellen Druck für die Entwicklungsteams. Vor diesem Hintergrund haben sich Designteams neuen Arbeitsabläufen anzupassen, da z.B. funktionsübergreifende Teams an unterschiedlichen Standorten arbeiten, wobei Spezialisten in einigen Entwicklungsdisziplinen wie der Stromversorgung und HF-Technik rar sind und die Markteinführungszeit neuer Produkte immer kürzer wird. Glücklicherweise unterstützt die technologische Weiterentwicklung, die mit jeder neuen Halbleiterproduktgeneration kommt, die Entwicklungsteams, und deshalb fließt auf diese Art und Weise die Innovation von einem Industriezweig zum nächsten. Eine Produktfamilie in der das offensichtlich ist, sind die µModule-Regler von Linear Technology, die mit einer optimalen Kombination aus Siliziumchip und Gehäusetechnik signifikante Verbesserungen bei den Stromversorgungen ermöglichten. Wirkungsgrad Der Ausdruck SWaP (Size, Weight and Power) wird in der Verteidigungsindustrie allgemein verwendet, um die Fortschritte eines technischen Systems zu vermitteln. Wenn wir dies weiter herunter brechen, dann bedeutet ein reduzierter SWaP einen besseren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist der Schlüssel weil es hier einen eindeutigen Widerspruch gibt. Damit ein System klein und leicht ist, muss es bei geringen Temperaturen laufen, damit es zuverlässig ist. Die Anforderungen an Stromversorgungen werden jedoch von immer mehr komplexer digitaler Datenverarbeitung getrieben. Dies bedeutet natürlich, dass der Verarbeitungs-Core und die Stromversorgungskomponenten mehr Wärme erzeugen, außer, die gesamte Schaltung kann effizienter gemacht werden. Die µModule-Regler von Linear Technology bieten eine Lösung für das Streben nach einem höheren Wirkungsgrad im Stromversorgungs-Subsystem. Um dies zu demonstrieren, denken wir an den Wirkungsgrad im erweiterten Sinne und nicht nur rein auf den augenfälligsten Wirkungsgrad der elektrischen Wandlung. Physikalische Größe und Leiterplattenfläche 2008 stellte Linear Technology den µModule-Regler LTM8020 vor, eine vollständige 200-mA- DC/DC-Stromversorgung in einem winzigen 6,25 x 6,25 x 2,35 mm großen Plastik-LGA- Gehäuse. Dieses Produkt erfüllte die Anforderungen bezüglich der abgestrahlten Emissionen gemäß EN55022 Klasse B und wurde schnell als ein Standard- Funktionsblock in vielen unterschiedlichen Systemarten angenommen. Im Jahr 2014 erfolgte die Markteinführung des ultradünnen µModule-Reglers LTM4623, nun mit einem Ausgangsstrom von maximal 3 A und dem gleichen Verhalten bezüglich abgestrahlter Emissionen. Dank der Verbesserungen in der Komponenten- und Gehäusetechnik belegt er die gleiche Grundfläche von 6,25 x 6,25 mm aber mit nur mehr 1,82 mm Höhe, was die Option eröffnet, ihn in einigen Systemen auf der Unterseite der Leiterplatte zu montieren. Für Anwendungen mit einem höheren Leistungsbedarf eignet sich der LTM4650, ein µModule- Regler mit 5-A-DC-Ausgangs- Bild 1: Der ultradünne, abwärts wandelnde 3-A-DC/DC-µModule- Regler LTM4623 36 hf-praxis 8/2016

Design Diese Kurven demonstrieren, dass der neuere LTM4649 ohne thermisches De-rating bei 90 °C Umgebungstemperatur betrieben werden kann, während der Laststrom des LTM4608A bei gleicher Umgebungstemperatur um rund 50 Prozent abgesenkt werden muss. Dies ist besonders in militärischen Systemen ohne erzwungene Luftkühlung relevant, in denen Umgebungstemperaturen von bis zu 80 und 90 °C durchaus üblich sind. Bild 2: Thermische De-Rating-Kurve des LTM4608A bei 5 V IN auf 3,3 V OUT strom, der ebenfalls die gleiche Grundfläche belegt, aber eine größer Höhe von 5,01 mm hat, die auf die größere interne Spule und das BGA-Gehäuse zurückzuführen ist. Ein weiteres Beispiel der im Jahr 2014 erzielten erhöhten Integrationsdichte ist der LTM4634, ein abwärts wandelnder µModule-DC/DC-Regler mit drei Ausgängen mit 5 A/5 A/4 A Ausgangsstrom. Er hat drei Reglerkanäle mit hohem Wirkungsgrad in einem einzigen 15 x 15 x 5,01 mm großen BGA-Gehäuse. Im Gegensatz dazu steht der LTM4600, das erste Mitglied dieser Familie aus dem Jahre 2005, ein abwärts wandelnder µModule-DC/DC-Regler mit einem einzigen 10-A-Ausgang, der dieselbe Grundfläche belegt. Elektrische Leistung Fortschritte im Wirkungsgrad der Wandlung der grundlegenden Regler-ICs wurden ständig mit verbesserten Gehäusen gekoppelt, um die thermische Leistung derart zu ändern, dass neue µModule-Regler jetzt bei einem vorgegebenen Ausgangsstrom in höheren Umgebungstemperaturen arbeiten können und erhöhte Designmargen ermöglichen. Wir können dazu z.B. die De- Rating-Kurven der Temperatur von zwei Produkten vergleichen, die die gleiche Gehäusegröße verwenden, den LTM4608A, einen abwärts wandelnden 8-A-µModule-DC/DC-Regler und ein jüngeres Produkt, den LTM4649, einen abwärts wandelnden 10A-µModule- Bild 3: Thermische De-Rating-Kurve des LTM4649 bei 5 V IN auf 3,3 V OUT DC/DC-Regler. Bild 2 und 3 basieren auf einer Einstellung ohne Kühlkörper und 3,3 V am Eingang, wobei die De-Rating- Kurven mit dem Ausgangsstrom ausgedruckt sind, der beim Maximum der Auslegung und einer Umgebungstemperatur von 40 °C startet. Die Sperrschichten werden auf 120 °C Maximum gehalten während der Ausgangsstrom mit steigender Umgebungstemperatur sinkt. Der abgesenkte Ausgangsstrom wird wiederum die internen Verluste des Moduls verringern, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Die überwachte Sperrschichttemperatur von 120 °C minus der Umgebungstemperatur im Betrieb spezifiziert, welcher Temperaturanstieg des Moduls zulässig ist. Entwicklungszeit und Expertise Da die Entwicklungsressourcen auf steigende Systemkomplexität aufgeteilt und kürzere Entwicklungszyklen eingehalten werden müssen, liegt der Fokus auf der Entwicklung der Schlüssel-IP (Intellectual Propety) des Systems. Dies bedeutet häufig, dass die Stromversorgung erst spät im Entwicklungszyklus begonnen wird. Bei wenig Zeit und möglicherweise begrenzten Ressourcen an Stromversorgungs-Entwicklungsspezialisten, gibt es den Druck, eine Lösung mit hohem Wirkungsgrad und dem kleinstmöglichen Platzbedarf zu finden. In dieser Situation bietet der µModule-Regler eine ideale Antwort; sein Konzept ist komplex im Inneren aber einfach nach außen – er hat den Wirkungsgrad eines Schaltreglers und das einfache Design eines Linearreglers. Sorgfältige Entwicklung, Leiterplatten-Layout und Komponentenauswahl sind ENGINEERING + MANUFACTURING FOR A NETWORKED WORLD HF-SCHALTSYSTEME DC-40 GHz Matrixerweiterung für Analyzer MATRIZEN · SCHALTGERÄTE · TESTSYSTEME · HF-VERTEILER · HF-KOMPONENTEN CONTACT: Phone: +49 (0) 9078 9695 - 95 | E-Mail: sales@novotronik.com | Web: www.novotronik.com hf-praxis 8/2016 37

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