Flexibles Wärmemanagement gefällig?

Elektronische Geräte sind in der Regel mit verschiedenen Schutzfunktionen ausgestattet, die eine gravierende Überschreitung der zulässigen Temperatur verhindern. Dennoch können diese Funktionen nicht alle Probleme vermeiden, die z.B. durch MOSFET-Überhitzung oder durch mehrere Regler-ICs hervorgerufen werden. Aber auch dafür gibt es Abhilfemaßnahmen, bei denen ein NTC-Widerstand (negativer Temperaturkoeffizient) benutzt wird, um ein abnormales thermisches Verhalten von MOSFETs und Regler-ICs zu erkennen.

Elektronische Geräte sind in der Regel mit verschiedenen Schutzfunktionen ausgestattet, die eine gravierende Überschreitung der zulässigen Temperatur verhindern. Dennoch können diese Funktionen nicht alle Probleme vermeiden, die z.B. durch MOSFET-Überhitzung oder durch mehrere Regler-ICs hervorgerufen werden. Aber auch dafür gibt es Abhilfemaßnahmen, bei denen ein NTC-Widerstand (negativer Temperaturkoeffizient) benutzt wird, um ein abnormales thermisches Verhalten von MOSFETs und Regler-ICs zu erkennen.

Neue Entwicklungen auf dem Stromversorgungs-Sektor werden in jüngster Zeit unter anderem durch die Point-of-Load-Architektur (POL) geprägt. Anstatt die ICs wie bisher von einem einzigen Netzteil (oder allenfalls einigen wenigen Stromversorgungen) zentral zu speisen, erzeugt man bei der POL-Architektur zunächst eine nur grob geregelte Zwischenspannung. Diese wiederum speist dezentrale Stromversorgungen, die sich in unmittelbarer Nähe der zu speisenden ICs befinden. Insbesondere angesichts der Tendenz zu niedrigeren Versorgungsspannungen und höheren Strömen bringt das POLKonzept ein hohes Maß an Stabilität und Effizienz mit sich. Der zweite Trend ist die wachsende Verbreitung von Schaltreglern. Die einstmals sehr populären Linearregler werden zusehends von den geschalteten Reglern verdrängt, die dank Synchrongleichrichtung einen hohen Wirkungsgrad erreichen.

Überhitzungsgefahr durch POL-Technik

Die zunehmende Verbreitung der POLTechnik hat es mit sich gebracht, dass moderne Laptops nicht selten zehn oder mehr Schaltregler enthalten, die auf das ganze Motherboard verteilt sind. Auch wenn Schaltregler einen höheren Wirkungsgrad erzielen als die bisherigen Linearregler, führt der On- Widerstand der Schalt-MOSFETs infolge der hohen Stromstärken zu einer beträchtlichen Erwärmung. Die Motherboards von Laptops oder anderen modernen Geräten sind deshalb mit einer Vielzahl von Wärmequellen geradezu gespickt.

Der so genannte Cross-Conduction- Effekt stellt ein weiteres Risiko dar. Am Ausgang eines Schaltreglers befinden sich zwei MOSFETs – ein High- Side- und ein Low-Side-MOSFET. Diese werden im regulären Betrieb abwechselnd eingeschaltet. Wenn im Störungsfall beide gleichzeitig leitend werden, fließt in beiden MOSFETs ein Kurzschlussstrom, der zu einer erheblichen Überhitzung (bis über 200 °C) führen kann.

Selbstverständlich sind elektronische Geräte mit verschiedenen Schutzfunktionen ausgestattet, die eine gravierende Überschreitung der zulässigen Temperatur verhindern. Dennoch können diese Funktionen unter Umständen nicht alle Probleme vermeiden, die durch MOSFET-Überhitzung oder durch mehrere Regler-ICs hervorgerufen werden (Bild 1). Solange die Anzahl der Schaltregler gering ist, hat dies noch keine große Tragweite. Verschärft zum Tragen kommt das Problem bei modernen POL-Designs, da die Anzahl der Schaltregler hier erheblich größer ist. Im schlimmsten Fall kann eine Überhitzung zum Schmelzen des Gehäuses oder zu Rauchentwicklung führen oder gar einen Brand auslösen. Das Überhit-zungsproblem lässt sich aber mit einem Schaltungstrick lösen, bei dem ein NTC-Widerstand (negativer Tempe-raturkoeffizient) benutzt wird, um ein abnormales thermisches Verhalten von MOSFETs und Regler-ICs zu erkennen.

Überhitzungsschutz mit PTC-Widerstand

Die Verwendung von NTC-Widerständen ist eine populäre Lösung, die den meisten Schaltungs-Designern vertraut sein dürfte. Wenn allerdings mehrere dezentrale Regler zum Einsatz kommen, ist dieses Konzept nicht gerade ideal, denn jeder NTC-Widerstand erfordert eine eigene Temperatursensorschaltung und entsprechende Logik. Hinzu kommt, dass ein Regler bei Mehrphasen- Ausgängen mehrere MOSFETs enthält, so dass noch mehr NTC-Widerstände erforderlich sind. Insgesamt wird die Schaltung gravierend komplizierter, wenn NTC-Widerstände für POLDesigns verwendet werden. Nicht zuletzt sind Schaltungen auf Basis von NTC-Widerständen sehr unflexibel. Das Hinzufügen oder Entfernen von Wärmemesspunkten nach Fertigstellung des Designs ist deshalb nicht ohne Weiteres möglich.

Einfachheit und Design-Flexibilität lassen sich allerdings auf andere Weise in Einklang bringen, denn mit PTC-Widerständen (positiver Temperaturkoeffizient) in Serienschaltung ist ebenfalls ein sinnvoller Überhitzungsschutz möglich. Die Firma Murata bietet unter dem Markennamen „POSISTOR“ keramische PTC-Widerstände an, die in 0402- oder 0603-Chipgehäusen (als PRF-Serie) lieferbar sind.

Bild 2 zeigt die Temperaturkennlinie eines typischen PTC-Widerstands. Sämtliche POSISTOR-Typen haben bei 25 °C einen Widerstand von 470 Ω, der je nach Typ im spezifizierten Temperaturbereich steil auf 4,7 kO bzw. 47 kΩ ansteigt. Zum Beispiel steigt der Widerstand des PRF18BG471QB1RB auf 4,7 kΩ bei 65 °C und auf 47 kΩ bei 80 °C. Bild 3 zeigt das Beispiel einer Schaltung zum Erkennen von Überhitzungen auf Basis eines PTC-Widerstands und eines Serienwiderstands von 10 kΩ. Im Fall des PRF18BG471- QB1RB beträgt die Nenn-Ausgangsspannung 0,15 V und die Spannung steigt bei 65 °C auf 1,06 V an. Trotz ihrer Einfachheit erzielt diese Schaltung eine hohe Spannungsverstärkung. Sie kann einen Transistor oder einen MOSFET direkt ansteuern, um das Deaktivieren einer Schaltung auszulösen. Eine geeignete Schutzfunktion ist somit auch ohne komplizierte Schnittstellen wie A/D-Wandler, Steuerungs- ICs oder zusätzliche Logik möglich.