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Energieeffizienter DC/DC-Wandler: Induktivität als intrinsischen Kühlkörper genutzt

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Miniaturisierung hat ihren Preis

Allerdings hat diese zunehmende Miniaturisierung ihren Preis. Eine der größten Herausforderungen bei DC/DC-Wandlern ist die Frage: Wie lässt sich die durch eine wesentlich höhere Leistungsdichte verursachte Wärme abführen? Wenn die Bauteile immer kleiner werden, nimmt die Packungsdichte der Bauteile zu. Dadurch erhöht sich die Leiterplattentemperatur, da der größte Teil der Bauteilwärme durch die Leiterplatte abgeführt wird, selbst wenn ein Kühlkörper vorhanden ist. Das mag für ein aktuelles Design akzeptabel sein, stellt aber ein Hindernis für die Skalierung bei zukünftigen Produkten dar.

Angesichts dieser Herausforderung haben Vi­shay-Ingenieure mit microBrick ein neues DC/DC-Wandlermodul entwickelt, das nur unwesentlich größer als die verwendete Induktivität ist. Mit anderen Worten: Es ist gelungen, den zusätzlichen Flächenbedarf des Controller-IC und des Leistungs-MOSFET nahezu auf Null zu reduzieren, während es gleichzeitig gelang, die Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zu steigern.

Vishay Intertechnology Bildquelle: © Vishay Intertechnology

Bild 3: Typische Wirkungsgrade des microBRICK-Moduls SiC931

Die neue microBrick-Gehäusetechnologie bietet mehrere Vorteile, sowohl thermischer als auch elektrischer Art. Sie geht das Problem der Wärmeabfuhr auf zweierlei Weise an. Erstens wird das Bauteil, das die meiste Wärme produziert (im Allgemeinen ist das der Leistungs-MOSFET) thermisch mit einem größeren Bauteil (nämlich der Induktivität) gekoppelt, das dann einen Teil der Wärme abführt. Diese thermische Struktur nutzt die Induktivität als „intrinsischen Kühlkörper“ und ist dadurch anderen Lösungen überlegen.

Auch der zweite Vorteil der neuen Lösung ist thermischer Natur: So wird die große Fläche unterhalb der Induktivität genutzt, um die vom MOSFET produzierte Wärme besser abzuführen. Außerdem  erlaubt die Platzierung des MOSFET unter der Induktivität einen wesentlich größeren effektiven Leiterplattenquerschnitt, ohne zusätzliche Fläche zu beanspruchen.

Darüber hinaus bietet die 3D-Struktur des neuen Moduls auch einen elektrischen Vorteil, da sie den parasitären Widerstand der Verbindung zwischen der Induktivität und dem Schalter-MOSFET eliminiert. Dieser wird hauptsächlich durch die Dicke der Kupferschicht auf der Oberseite der Leiterplatte bestimmt, die in der Regel weniger als 70 µm beträgt und ähnlich viel zum Gesamtverlust beiträgt wie der RDS(on) des MOSFET und der DCR der Induktivität.

Diese einzigartige Struktur verringert die Leitungsverluste und verbessert die Wärmeableitung, wodurch die Sperrschichttemperatur sinkt. Durch die niedrigere Temperatur des hocheffizienten microBrick-Moduls wird eine höhere Zuverlässigkeit und ein größerer sicherer Betriebsbereich erreicht.

Vishay Intertechnology Bildquelle: © Vishay Intertechnology

Roy Shoshani, Vice President der Power and Linear IC division von Vishay Intertechnology

Mit einer Grundfläche von nur 10,6 mm × 6,5 mm und einer Höhe von nur 3 mm – das ist Branchenrekord – beansprucht die modulare microBrick-Lösung mindestens 30 Prozent weniger Leiterplattenfläche und 50 Prozent weniger Volumen als das nächstbeste Wettbewerbsprodukt. Im Vergleich zu BGA- und LGA-Gehäusen erhöht das QFN-Power-Gehäuse mit seinen benetzbaren Flanken die Zuverlässigkeit auf der Baugruppenebene (BLR, Board-Level-Reliability), außerdem vereinfacht es die Montage und den Funktionstest und ermöglicht in der Produktion eine automatisierte Sichtkontrolle (AOI).

Besonders bemerkenswert ist, dass das SiC931 bei einer Eingangsspannung zwischen 4,5 V und 24 V und einer Schaltfrequenz von bis zu 2 MHz maximal 20 A Dauer-Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung ab 0,6 V liefern kann. Weil das Modul mit einer sehr kleinen Ausgangskapazität auskommt, reagiert es extrem schnell auf Transienten, außerdem zeichnet es sich durch eine sehr geringe Ausgangsspannungswelligkeit bei Leichtlast aus.

Bild 3 zeigt die typischen Wirkungsgrade des Moduls SiC931 bei verschiedenen Ausgangsspannungen und Schaltfrequenzen, gemessen bei Raumtemperatur in ruhender Luft; das Modul war in eine sechslagige, 50,8 mm × 50,8 mm große Leiterplatte eingebaut.

Beim SiC931 handelt es sich um das erste Produkt der microBrick-Familie. Daneben gibt es noch zwei weitere Module – SiC967 und SiC951 – mit gleichen Abmessungen. So arbeitet das SiC967 mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 60 V und liefert Ausgangsströme bis 6 A. Das SiC951 ist im Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 20 V einsetzbar, liefert Ausgangsströme bis 20 A und besitzt eine PMBUS-1.3-konforme Digitalschnittstelle mit Konfigurations- und Telemetrie-Funktionen.

Durch die Vereinigung von Controller, Leistungsstufe und Induktivität in einem kompakten Gehäuse wird der Bau eines hocheffizienten DC/DC-Wandlers ganz erheblich erleichtert. An externen Bauteilen werden für eine Komplettlösung auf der Basis eines microBrick-Moduls nur noch ein paar gewöhnliche Widerstände und Kondensatoren benötigt. Dank der kleineren Abmessungen der microBrick-Module ist eine kostengünstige Gesamtlösung möglich, die überdies durch bessere DC/DC-Wandler-Performance wie etwa höheren Wirkungsgrad überzeugt.