Wie sich die Eigenschaften von Power-Modulen verbessern lassen

| Autor / Redakteur: Josh Frazor und Mathew Jacob* / Thomas Kuther

Beispiel eines Power-Moduls: das Entwicklungs-Kit LM27403EVM-POL600 30A mit dem Controller LM27403.
Beispiel eines Power-Moduls: das Entwicklungs-Kit LM27403EVM-POL600 30A mit dem Controller LM27403. (Bild: Texas Instruments)

Kompakte und leistungsfähige Power-Module lassen sich mit Abwärtsreglern und externen MOSFETs realisieren, aber auch mit integrierten MOSFETs. Wir zeigen Vor- und Nachteile dieser beiden Möglichkeiten.

Power-Module müssen eine hohe Leistungsdichte, außergewöhnliche thermische Eigenschaften und eine lückenlose Feature-Ausstattung mitbringen, um konkurrenzfähig zu sein. Eine Möglichkeit, diese Vorgaben zu erfüllen, ist die Verwendung von Abwärtsreglern (Buck-Controllern) im Verbund mit externen MOSFETs in der Leistungsstufe dieser Module. Diese Reglerarchitektur nämlich erlaubt eine Skalierung des Laststroms und die Wahrung ausreichender Abstände zwischen den wärmeerzeugenden Komponenten. Beides ist wichtig bei der Entwicklung von Power-Modulen. Der vorliegende Beitrag vergleicht die Funktionsweise von DC/DC-Abwärtsreglern mit externen MOSFETs mit jener von Wandlerlösungen, die über integrierte MOSFETs verfügen.

Überlegungen zu externen MOSFETs

Wandler besitzen im Gegensatz zu Reglern integrierte MOSFETs, sodass die Möglichkeiten auf die vom Wandlerhersteller ausgewählten MOSFETs beschränkt sind. Im Gegensatz dazu bieten Power-Module, die mit Abwärtsreglern und externen MOSFETs konzipiert sind, Flexibilität bei der Wahl der MOSFETs für das jeweils gewählte Design, woraus sich Vorteile für die Kosten und den Bezug der Bauelemente sowie die Skalierung des Laststroms ergeben. An allererster Stelle steht jedoch die Flexibilität, den Regelungs-FET und den Synchron-FET mit Blick auf optimale Effizienz und ein bestmögliches Wärmemanagement zu dimensionieren.

Zum Beispiel dürfte ein Power-Modul, das für Prozessorkerne Spannungen zwischen 0,8 und 1 V bereitstellen soll, von einem Synchron-FET mit niedrigem RDS(on)-Wert profitieren, während es in einem Modul für Ausgangsspannungen von 5 oder 3,3 V günstig ist, wenn Regelungs-FET und Synchron-FET ähnliche RDS(on)-Werte aufweisen. Während einige Designs nach einem hohen Wirkungsgrad verlangen, kann bei anderen die Kosteneffektivität im Vordergrund stehen. Einen großen Pluspunkt stellt die Flexibilität dar, die Anpassung in Bezug auf beide Kriterien vornehmen zu können. Werden Regler und externe MOSFETs verwendet, lassen sich die Lösungen für unterschiedliche Ströme skalieren, ohne den Regler auszuwechseln.

Die thermischen Eigenschaften von Power-Modulen

Ein entscheidendes Kriterium beim Entwickeln von Power-Modulen ist das Wärmemanagement, denn jegliche Wärme, die nicht hinreichend kontrolliert wird, kann den Wirkungsgrad negativ beeinflussen oder sogar die Leiterplatte beschädigen. Es gibt viele Möglichkeiten, Leiterplatten extern herunterzukühlen – sei es durch fortschrittliche Kühlsysteme oder Kühlkörper. Besonders wirkungsvoll eindämmen lassen sich Wärmeabfuhrprobleme jedoch, wenn die thermischen Aspekte bereits während der Entwicklung berücksichtigt werden.

Eine Möglichkeit, ein Design von vornherein für bessere thermische Eigenschaften auszulegen, ist eindeutig die Verwendung von DC/DC-Reglern, die mit externen MOSFETs kombiniert werden. Grundsätzlich gilt zwar der Lehrsatz, dass es günstig für die Zuverlässigkeit eines Systems ist, wenn man die Zahl der Bauelemente reduziert, jedoch gibt es auch Ausnahmen von dieser Regel. Bei mit Wandlern bestückten Designs muss beispielsweise berücksichtigt werden, welche Auswirkungen die von den integrierten MOSFETs erzeugte Wärme auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Reglers hat, denn schließlich befinden sich MOSFETs und Regler in einem gemeinsamen Gehäuse. Auch wenn ein Wandler mit integrierten MOSFETs – rein elektrisch gesehen – genauso aufgebaut ist wie die entsprechende Reglerlösung, wird er sich in der Regel stärker erwärmen, da sich die integrierten MOSFETs nicht so einfach kühlen lassen wie diskrete Gehäuse mit entsprechend größerer Oberfläche.

Da die externen MOSFETs weiter entfernt vom Regler angeordnet sind, kann ein System, das aus einem Regler und externen MOSFETs besteht, eine höhere Zuverlässigkeit erreichen. Die Bilder 1 und 2 zeigen die Messergebnisse der thermischen Eigenschaften zweier Power-Lösungen von Texas Instruments, nämlich des Buck-Reglers TPS40400 mit PMBus und des Buck-Wandlers TPS544B25 ebenfalls mit PMBus. Der TPS40400 arbeitete im vorliegenden Fall mit 12 V Eingangsspannung und 1,2 V Ausgangsspannung bei 20 A, der TPS544B25 dagegen mit 12 V Eingangsspannung, 0,95 V Ausgangsspannung und einem Laststrom von ebenfalls 20 A. Die Lösung mit dem Regler TPS40400 erreichte eine maximale Temperatur von 47 °C, während sich der Wandler TPS544B25 auf bis zu 67,7 °C erwärmte. Die Wärmebilder machen deutlich, dass die Anordnung der MOSFETs in größerem Abstand zum Regler die thermischen Eigenschaften verbessern und das Risiko senken kann, dass es zu Ausfällen oder dauerhaften Beschädigungen der Leiterplatte kommt.

Für eine weitergehende Analyse wird ein Design, in dem ein TPS40345 mit externen MOSFETs verwendet wird, mit einem anderen Design verglichen, das mit dem Wandler TPS544C25 bestückt ist. Für diesen Vergleich wird für beide Systeme unter ähnlichen Einsatzbedingungen die Verlustleistung berechnet.

Fall 1: Lösung mit einem Regler und externen MOSFETs

Einsatzbedingungen: VIN = 12 V, VOUT = 1 V, IO = 20 A und 30 A, RDS(on)_HS = 9,6 mΩ, RDS(on)_LS = 2,6 mΩ, fSW = 600 kHz, L = 0,47 µH, 0,3 mΩ.

Fall 2: Lösung mit im Wandler integrierten MOSFETs

Einsatzbedingungen: VIN = 12 V, VOUT = 1 V, IO = 20 A und 30 A, fSW = 500 kHz, L = 0,47 µH, 0,3 mΩ.

Tabelle: Vergleich der Verluste und Temperaturanstiege.
Tabelle: Vergleich der Verluste und Temperaturanstiege. (Bild: Texas Instruments)

Die Tabelle vergleicht die Verluste und Temperaturanstiege für den TPS40345 und den TPS544C25. Fast alle Parameter ähneln sich – mit Ausnahme der geringfügig höheren Schaltfrequenz des TPS40345. Diese müsste ihm einen gewissen Vorteil bringen, aber in einer Reglerlösung ist die Erwärmung der einzelnen Bauteile speziell bei 30 A Ausgangsstrom geringer als im Fall des Wandlers. Wählt man für den low-seitigen Synchron-FET einen Baustein mit niedrigerem RDS(on)-Wert, lässt sich der Temperaturanstieg sogar noch weiter reduzieren.

Bild 3: Im Fall des Wandlers wurden die Wirkungsgradkennlinien herangezogen und die Verluste in der Induktivität subtrahiert, um die Verluste in den aktiven Bauelementen zu ermiteln.
Bild 3: Im Fall des Wandlers wurden die Wirkungsgradkennlinien herangezogen und die Verluste in der Induktivität subtrahiert, um die Verluste in den aktiven Bauelementen zu ermiteln. (Bild: Texas Instruments)

Bei der Berechnung der Verlustleistung der Reglerlösung in Fall 1 wurden nur die Verluste in den aktiven Bauelementen berücksichtigt, weil der Wandlerverlust die Summe aus den Verlusten im Regler und in den FETs ist. Im Fall des Wandlers wurde die Wirkungsgradkennlinie aus Bild 3 herangezogen und die Verluste in der Induktivität subtrahiert, um die Verluste in den aktiven Bauelementen zu erhalten.

Bild 4: Die Zahlen in der Tabelle stimmen sehr gut mit der SOA-Kurve bei natürlicher Konvektion überein.
Bild 4: Die Zahlen in der Tabelle stimmen sehr gut mit der SOA-Kurve bei natürlicher Konvektion überein. (Bild: Texas Instruments)

Bei der Betrachtung des sicheren Arbeitsbereichs (Safe Operating Area, SOA) in Bild 4 fällt auf, dass die Zahlen in Tabelle 1 sehr gut mit der SOA-Kurve bei natürlicher Konvektion übereinstimmen. Zum Beispiel ist für 20 A in der Tabelle ein Temperaturanstieg von 55 °C angegeben, und die SOA-Kurve weist für diesen Fall eine maximale Umgebungstemperatur von 80 °C aus. Die Summe aus Temperaturanstieg und maximaler Umgebungstemperatur aber sollte nahe der maximalen Sperrschichttemperatur (Tj(max)) des Bausteins von 125 °C liegen.

Angenommen, der Baustein wird bei 30 A eingesetzt. In diesem Fall würde die maximale Umgebungstemperatur im Fall des TPS544C25 30 °C betragen. Für den TPS40345 im Verbund mit den externen FETs würde die maximale Umgebungstemperatur dagegen 150 °C – 94,5 °C = 55 °C betragen. Der begrenzende Faktor ist hier der Tj(max)-Wert der FETs von 150 °C. Für die maximale Umgebungstemperatur ergibt sich also eine signifikante Verbesserung von 25 °C. Eine Optimierung für den low-seitigen Synchron-FET kann diesen begrenzenden Faktor außerdem einfach außer Kraft setzen, während im Fall des Wandlers andere Kühlmethoden erforderlich sind.

Buck-Regler mit PMBus bieten zahlreiche Vorteile

Buck-Regler mit dem als Industriestandard etablierten PMBus bieten den Entwicklern zahlreiche Vorteile gegenüber rein analogen Lösungen. Da Buck-Controller mit externen FETs in ihrem Gehäuse nicht den zusätzlichen Platz für integrierte FETs bieten müssen, können sie mit kleineren Abmessungen konzipiert werden. Nachteilig hieran ist wiederum, dass es bei kleineren Abmessungen weniger Pins gibt, und genau hier kommt der Vorteil der digitalen Kommunikation per PMBus ins Spiel.

Ein PMBus-fähiger Regler verbindet ausgezeichnete Funktionalität mit einem geringen Pin-Count. Eine Funktion des PMBus, die für Power-Modul-Applikationen unerlässlich ist, ist die Möglichkeit zur Optimierung der Ausgangsspannung. Zunächst einmal wirkt sich das Anpassen der Ausgangsspannung nicht auf die Widerstandsteiler-Schaltung aus, und darüber hinaus lässt sich die Ausgangsspannung gemäß den Anforderungen des Systems anheben oder absenken. Zum Beispiel kann durch Erhöhen der Ausgangsspannung eine Anpassung an eine höhere Verarbeitungsleistung erfolgen, während ein Absenken zur Energieersparnis beitragen kann. Im Fall des TPS40400 lässt sich die Ausgangsspannung um ±25% verstellen, was einen guten Spielraum bietet.

Ein weiterer Vorteil, den die Verwendung eines Reglers mit PMBus mit sich bringt, ist die Möglichkeit, bestimmte Aspekte des Systems bei laufendem Betrieb anzupassen. Anders ist es bei externen Widerständen, die – einmal installiert – nicht mehr geändert werden können. Es gibt auch Buck-Controller mit verschiedenen Schutzfunktionen beispielsweise gegen Überströme und zu hohe Temperaturen (Thermal Shutdown).

Ein programmierbarer Überstromschutz und die Reaktivierung per Hiccup-Modus nach einer Störung, wie sie vom TPS40345 geboten werden, maximieren die Designflexibilität und minimieren die Verlustleistung für den Fall, dass es zu einem länger andauernden Kurzschluss am Ausgang kommt. Wenn die Sperrschichttemperatur des Bausteins die Ansprechschwelle der Thermal-Shutdown-Funktion erreicht, werden der Pulsweiten-Modulator (PWM) und der Oszillator abgeschaltet, und die HS- und LS-Pins werden auf Low-Status gelegt. Hat sich die Sperrschichttemperatur auf das nötige Niveau verringert, veranlasst der PWM einen Softstart während eines normalen Power-up-Zyklus. Diese Schutzeinrichtungen stellen sicher, dass das Power-Modul in Situationen, die außerhalb der Spezifikationen liegen, keinen Schaden nimmt, was der allgemeinen Zuverlässigkeit zugutekommt.

Viele Buck-Regler bieten zusätzlich eine FSS-Funktion (Frequency Spread Spectrum), die die Spitzen im EMI-Spektrum verringert und das Einhalten der EMI-Vorschriften erleichtert. Im Fall des TPS40345 wird bei aktivierter FSS-Funktion mithilfe einer 25 kHz betragenden Modulationsfrequenz mit dreieckförmigem Profil die Frequenz des internen Oszillators über ein bestimmtes Mindestfenster variiert. Durch das Modulieren der Schaltfrequenz entstehen Seitenbänder. Die Emissionsleistung der Grund-Schaltfrequenz und ihrer Oberwellen wird somit in kleinere Teile untergliedert und auf mehrere Seitenbandfrequenzen verteilt.

Das Design sollte möglichst vielfältig sein

Entwickler von Power-Modulen sind darauf angewiesen, dass ihre Designs vielseitig sind und mit einer breiten Palette externer Bauelemente eingesetzt werden können. Obwohl die Module über eingebaute Ausgangskondensatoren verfügen, bestücken die Kunden die Leiterplatten, auf denen die Module montiert werden, möglicherweise mit weiteren externen Kondensatoren. Dies hat zwar Einfluss auf die Stabilität der Regelschleife, jedoch können die Entwickler die Schleife mit bestimmten Methoden dynamisch stabilisieren. Regler bieten Entwicklern die Flexibilität zur individuellen Anpassung ihrer Module mit einer Option zur Auswahl externer Bauelemente und anderen Controller-Features, etwa einer einstellbaren Ausgangsspannung, einem Überstromschutz für den Ausgang usw.

Der Platzbedarf ist oftmals ein wichtiges Kriterium

Der Platzbedarf der Lösung stellt ist oftmals ein wichtiges Kriterium dar. In dem Vergleich zwischen TPS40345 und TPS544C25 ergibt der Wandler kleinere Lösungsabmessungen (69 mm2 gegenüber 35 mm2). Genau aus diesem Grund sind Wandler mit ihren integrierten FETs in zahlreichen Anwendungen überaus populär.

Power-Module erfordern viel Feintuning

Das Entwickeln von Power-Modulen erfordert zahlreiche Feinabstimmungen, um eine größtmögliche Leistungsdichte zu erzielen. Eine Möglichkeit, diese zu erreichen, ist die Verwendung von Abwärtsreglern, die mit externen MOSFETs kombiniert werden (Aufmacherfoto).

Abwärtsregler bieten hervorragende thermische Eigenschaften, die zu einem hohen Grad an Zuverlässigkeit und Effizienz beitragen. Zusätzlich bieten sie den Entwicklern von Power-Modulen eine Menge Flexibilität durch die Verwendung externer MOSFETs, die das Skalieren über einen weiten Strombereich ermöglichen. Integrierte Funktionen wie Schutzfunktionen, PMBus-Fähigkeit und FSS machen die Power-Module sogar noch interessanter.

* Josh Frazor ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas, Texas.

* Mathew Jacob ist Sr. System Application Manager bei Texas Instruments in Santa Clara, Kalifornien.

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