Leistungsmodule

Von höchsten Leistungen, bis kleinste Größen

9. September 2021, 11:58 Uhr | Iris Stroh

Die Anzahl der verfügbaren Leistungsmodule steigt seit Jahren, denn mit diesen Leistungsmodulen sind für den Entwickler enorm viele Vorteile verbunden.

Wobei die verschiedenen Hersteller mit ihren Leistungsmodulen ganz unterschiedliche Anwendungen. Aber zunächst zu den Vorteilen. Die erklärt Ben Dowlat, Senior Manager, Product Marketing – Analog Power and Interface Division bei Microchip Technology: »Höher integrierte Lösungen machen die Beschaffung von Komponenten und die Assemblierung einfacher.« Außerdem sei es mit thermisch verbesserten 3D-Gehäusen möglich, die Gesamtgröße des Systems zu reduzieren, ohne dabei Kompromisse hinsichtlich der Effizienz oder Leistung machen zu müssen. Dowlat weiter: »Die Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung ist bei der Entwicklung von Stromversorgungen oft ein iterativer Prozess zwischen Versuch und Irrtum. Obwohl die Entwickler bei der Auswahl der Komponenten und dem Layout der Leiterplatten bewährte Verfahren nutzen, erzeugen die Schaltungen oft dennoch unerwartete Störungen.« Das Problem erübrigt sich mit Leistungsmodulen, denn »die vollständige Integration der passiven Komponenten, des Controllers und der MOSFETs auf einem thermisch verbesserten Kupfer-Leadframe verringert den Abstand zwischen den Komponenten, minimiert die Strahlungsemissionen und verbessert die Wärmeableitung«, so Dowlat weiter. Ergo: Die Microchip-Technologie ermögliche eine verbesserte thermische Leistung, eine höhere Leistungsdichte, ein vorcharakterisiertes EMV-Verhalten sowie eine einfache Modifikationsmöglichkeit: »Mithilfe einer I2C-Kommunikation ist eine dynamische Spannungsskalierung, Konfigurierbarkeit und Überwachung mehrerer Funktionen möglich«, betont Dowlat.

Laut Frederic Dostal, SME Team Leader bei Analog Devices treibt bei seinen Leistungsmodulen die Entwicklungen in dieselbe Richtung wie bei seinen diskreten Stromversorgungen. Das heißt, es geht um höhere Leistungsdichte, geringere Abstrahlungen, sprich besseres EMV-Verhalten und eine höhere Effizienz. »Darüber hinaus werden neue Module mit noch höheren Leistungen und insbesondere mit noch höheren Strömen anbieten«, so Dostal weiter. Darüber hinaus geht es bei den Bemühungen auch darum, die Wärme noch besser in die Umgebungsluft und weniger in die Platine des Systems abzuführen »und in Zukunft wird immer mehr Module geben, die mehrere Versorgungsspannungen zur Verfügung stellen«, fährt Dostal fort.

Aus Dostals Sicht zeichnen sich viele ADI-Module dadurch aus, dass sie das Silent-Switcher-Konzept von Analog Devices nutzen, die dabei hilft, die abgestrahlten Störungen zu verringern. Dostal: »Wir können mit einem einzigen Modul bis zu 100 A Ausgangsstrom erzeugen und das bei höchster Qualität.« Das klingt ein wenig nach Standardaussage, welcher Hersteller behauptet das nicht von seinen Produkten? Doch Dostal erklärt weiter: »Es ist in der Tat nicht trivial, Module mit integrierten passiven Komponenten zu erzeugen, dass sie robust sind und eine lange Lebensdauer aufweisen, besonders auch unter dem Einfluss von sehr vielen Temperaturzyklen.«

Laut Jeffrey Shermann, Product Manager Power Module bei Renesas Electronics, liegt der Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung von Leistungsmodulen seit eh und je darauf, eine geringe Größe und eine höhere thermische Leistung als die Konkurrenz anbieten zu können. Derzeit entwickelt das Unternehmen diverse Module für Anwendungen mit niedrigen Strömen (einige Ampere) bis hin zu extrem hohen Strömen (>100A). Für Niederstromanwendungen hat das Unternehmen kürzlich ein voll integriertes DC-DC-Schaltnetzmodul (RAA210040) auf den Markt gebracht. Dies ist laut Shermann das erste von mehreren Mini-Modulen, die für platzsensitive Anwendungen wie Sensoren, IoT, Netzwerke und Wearables entwickelt wurden. Shermann ist sich sicher: »Das RAA210040 liefert bis zu 4 A bei klassenbester Effizienz.«

Für hohe Ströme arbeitet Renesas an Modulen, die eine extreme Leistungsdichte zur Versorgung von Hochleistungsprozessoren und FPGAs ermöglichen. Shermann abschließend: »Die Technologien werden es den Prozessoren ermöglichen, ihre maximale Leistung ausspielen zu können.«

Aus der Sicht von Timur Uludag, Product Manager MagI³C Power Division bei Würth Elektronik eiSos, geht der Trend »hin zu platzsparenden DC/DC-Wandlern, wie sie z.B. bei Portables und Displays verwendet werden.« Und weiter: »Direkt bei der Applikation und nicht mehr zentral mit einer hohen Effizienz halten sie auch in der klassischen industriellen Applikationswelt Einzug. Die Spannungswandlung findet nun direkt am Ort des Geschehens statt und nicht mehr im zentralen Schaltschrank. Entscheidend sind hier die Leistungsdichte, das EMV-Verhalten und die Integrationsdichte«, erklärt Uludag.

Womit können Entwickler in Zukunft rechnen? Laut Uludag wird kurz- bis mittelfristig der Eingangsspannungsbereich der PoL-Module von der üblichen 5-V-Rail auf weitere höhere Rail-erweitert, einschließlich 24, 36 oder 48 V.

Interessante Beispiele von Leistungsmodulen verschiedener Hersteller sind in unserer Bildergalerie zu finden.