Stromversorgungen Mit integriertem Kühlkörper bleiben POL-Regler cool

Autor / Redakteur: Eddie Beville, Afshin Odabaee, Mike Stokowski * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mit jeder Generation werden Hochleistungs-Prozessoren, -FPGAS und -ASICs leistungshungriger und belasten die Stromversorgungen mehr. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an dedizierte, auf der Leiterplatte montierte Stromversorgungen, die eine Point-of-Load-Regelung für mehrere Spannungspegel liefern. So ist es eine Herausforderung, eine Stromversorgungslösung zu finden, die hohe Lastströme bei kleinen Spannungen liefert und wenig Platz im System beansprucht.

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Mit vier solchen µModule-Wandlern lässt sich eine Stromversorgung aufbauen, die bis zu 100 A liefert
Mit vier solchen µModule-Wandlern lässt sich eine Stromversorgung aufbauen, die bis zu 100 A liefert
(Bild: Linear Technology)

Die Anforderungen an dedizierte, auf der Leiterplatte montierte Stromversorgungen, die eine POL-Regelung (point-of-load) für mehrfache Spannungspegel bereit stellen, werden immer höher. So müssen sie häufig Ströme von 10 bis über 100 A liefern – und zwar bei Spannungen unter 1 V, was einen Anfangsfehler von rund 1% und eine Lastabweichung von nur wenigen Prozent erfordert.

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Leistungsverlust und thermischer Widerstand sind KO-Faktoren

Ist erst einmal eine geeignete Reglerlösung gefunden, so muss sie hinsichtlich Leistungsverlust und thermischen Widerstand geprüft werden. Denn diese beiden Parameter können auch eine ansonsten gute Reglerlösung ungeeignet werden lassen, wenn sie die Temperaturanforderungen nicht erfüllen kann, z.B. beim Betrieb in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur.

Selbstverständlich müssen die Wandler einen hohen Wirkungsgrad bieten, um Leistungsverluste zu begrenzen. Darüber hinaus müssen die Gehäuse einen niedrigen thermischen Widerstand haben, sodass die Hitze möglichst gut an die Umgebung abgegeben werden kann. Da die Systeme immer kleiner werden, macht es der thermische Widerstand zwischen Regler und Leiterplatten zunehmend schwierig, die Leiterplatte kühl zu halten, da der DC/DC-Wandler den größten Teil der Leistungsverluste an die Leiterplatte abführt, was die interne Systemtemperatur deutlich steigen lässt.

Wärmeentwicklung und die Kosten ihrer Abführung

Die Entwickler von Systemen und ihrer thermischen Auslegung verbringen viel Zeit damit, eine geeignete Lösung für die Ableitung der Leistungsverluste zu suchen. Üblicherweise wird die unerwünschte Wärme via Luftstrom und Kühlkörper abgeführt. Das eigentliche Problem ist allerdings, dass moderne Prozessoren, FPGAs und kundenspezifische ASICs normalerweise noch einmal deutlich mehr Leistung abgeben, wenn die interne Temperatur ansteigt.

Somit müssen auch die POL-Wandler mehr Leistung abgeben können, was wiederum erhöht ihren internen Leistungsverlust und damit auch die Systemtemperatur nochmals weiter erhöht. Deshalb ist es enorm wichtig, die Leistungsverluste und Wärme zu eliminieren, d.h. hochdichte Wandlerlösungen müssen die Leistungsverluste begrenzen und die Wärme effektiv abführen.

Die meisten sehr kompakten Wandlerlösungen entwickeln jedoch entweder zu viel Wärme oder können die Wärme nicht effektiv abführen. Aus diesem Grunde können sie in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur nicht ohne signifikante Leistungsminderung arbeiten – es ist also eine geeignete Lösung gefragt, um dieses Problem zu lösen.

Verschiedene Kühlmethoden

Will man die Temperatur eines Wandlers mit hoher Versorgungsleistung auf einem vernünftigen Pegel halten, muss man sich mit geeigneten Kühlmethoden befassen – etwa Lüfter, Wärmeableitplatten, Kühlkörper und bisweilen auch das Eintauchen in Flüssigkeiten. Alle diese Methoden sind mit Mehrkosten verbunden, aber sie sind notwendig.

Wie sich der Kühlaufwand drastisch vermindern ließe

Gäbe es allerdings einen Hochleistungs-POL-Regler, der den benötigten Strom liefert und zudem die Wärme gleichmäßig und effektiv abführt, würde sich die Kühlung deutlich vereinfachen, was wiederum Platz, Gewicht, Wartung und Kosten für Kühlmaßnahmen einsparen würde.

Das Thema Leistungsdichte ist irreführend

Der Begriff Leistungsdichte ist irreführend, wenn es um hochintegrierte DC/DC-Wandler hoher Versorgungsleistung geht, da das Verhalten des Bausteins unter Temperatureinfluss nicht betrachtet wird. Systementwickler sollten deshalb weitere Informationen in den Datenblättern suchen, wenn sie sich für ein Produkt entschieden haben, das die elektrischen, physikalischen und Leistungsanforderungen erfüllt.

Ein Beispiel: wenn ein DC/DC-Wandler in einem Gehäuse mit den Maßen 20 mm x 10 mm eine Leistung von 54 W an die Last liefert, ist seine Leistungsdichte 27 W/cm². Dieser Wert mag einige Entwickler beeindrucken und zufrieden stellen, da auf den ersten Blick alles passt: gewünschte Versorgungsleistung, gewünschte Maße und gewünschter Preis.

Was dabei jedoch vergessen wird, ist die Wärmeentwicklung, die letztendlich eine Temperaturerhöhung bewirkt. Deshalb muss die thermische Impedanz des DC/DC-Wandlers betrachtet werden und damit die Werte für die thermische Verbindung des Bausteingehäuses an das Systemgehäuse, zur Luft und zur Leiterplatte.

Eine Sperrschichttemperatur von 165 °C ist zu hoch

Führt man dieses Beispiel weiter, besitzt der Baustein ein weiteres attraktives Attribut. Er arbeitet mit einem beeindruckenden Wirkungsgrad von 90%, hat 6 W Verlustleistung und liefert 54 W in einem Gehäuse mit einer thermischen Impedanz zur Luft von 20 °C/W. Multipliziert man 6 W mit 20 °C/W ist das Ergebnis ein Anstieg der Umgebungstemperatur um 120 °C. Bei einer Umgebungstemperatur von 45 °C ist die Sperrschichttemperatur dieses Gehäuses dieses scheinbar eindrucksvollen DC/DC-Wandlers mit 165 °C berechnet. 165 °C ist jedoch kein eindrucksvoller Wert aus zwei Gründen:

  • er liegt über der maximalen Temperatur der meisten Silizium-ICs, die ungefähr 120 °C beträgt und
  • es erfordert besondere Aufmerksamkeit, um die Sperrschichttemperatur auf einem sicheren Wert unter 120 °C zu halten.

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