Point-of-Load-Wandler Thermische Probleme gelöst

Bei allem Respekt für das Know-how rund um Bode-Diagramme, Maxwell-Gleichungen sowie Pole und Nullstellen: Doch IC- und Schaltungsentwickler im Bereich Point-of-Load-Regler drücken sich häufig um ein gefürchtetes Thema: Hitze. Dies überlassen sie dem Packaging-Ingenieur. Das ist aber nicht nötig.

von Afshin Odabaee, Business Unit Manager für die Produktplattform »µModule« bei Linear Technology.

Ein PoL-Regler (Point of Load) erzeugt Wärme, weil es (noch) keinen Wirkungsgrad von 100 % gibt. Daher stellt sich die Frage, wie weit die Temperatur in einem Gehäuse aufgrund dessen Konstruktion, des Layouts und thermischen Widerstands steigt. Der thermische Widerstand des Gehäuses erhöht nicht nur die Temperatur des PoL-Reglers, sondern auch die Temperatur der Leiterplatte und benachbarter Komponenten und trägt dadurch zur Komplexität der Wärme-Abführmaßnahmen eines Systems bei.

Wärme wird vom Wandlergehäuse, wenn es auf einer Leiterplatte montiert ist, auf die folgenden zwei Hauptarten abgeführt:

  • Die Wärme wird in die Kupferlagen der Leiterplatte geleitet, sie wird also über die Unterseite des Gehäuses abgeführt.
  • Ein kühler Luftstrom entfernt die Wärme von der Oberseite des Wandlergehäuses – oder präziser, die Wärme wird an die kühleren schnell beweglichen Luftmoleküle übergeben, die in Kontakt mit der Oberseite des Gehäuses kommen.

Natürlich lassen sich Kühlmaßnahmen auch in passive und aktive Methoden einteilen. In diesem Fall aber sollen diese als Teilmengen der zweiten Kategorie betrachten werden, um die Diskussion zu vereinfachen.

Nach obigen Überlegungen sind deshalb mehr Kupfer, größere Leiterplattenflächen, dickere Kupferlagen, die großflächigere Platzierung von Komponenten auf der Baugruppe sowie größere und stärkere Lüfter einige Ideen aus dem Werkzeugkasten des thermischen Managements. Aber sind diese Ideen auch alle gut?

Obwohl sich zunächst einige oder alle der genannten Schritte signifikant darauf auswirken, ein System kühler zu halten, kann ihr Gebrauch den preislichen Wettbewerbsvorteil eines Systems oder Endprodukts verringern. Das Endprodukt, bespielsweise ein Router, kann wegen der gewollten Trennung von Komponenten auf der Baugruppe größer ausfallen oder wegen der Anzahl an Lüftern mit einem höheren Luftstrom hörbar lauter sein. Dies macht das Endprodukt am Ende vielleicht sogar unterlegen in einem Markt, in dem Firmen ständig konkurrieren, um die optimale Kombination von Kompaktheit, hoher Rechenleistung, hohen Datenraten, hohem Wirkungsgrad und geringen Kühlkosten zu erreichen. Ein PoL-Spannungsregler mit einer höheren Leistungsdichte scheint daher eine gute Wahl zu sein: Er ist klein, liefert aber dennoch eine hohe Leistung.