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Richtige Schottky-Diode finden

Hochsetzsteller für LED-Hinterleuchtungen im Smartphone auslegen

8. Dezember 2017, 15:00 Uhr | Von Steven Shackell

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Relevante Kenngrößen für die Wahl der Schottky-Diode

Es gibt zahlreiche Parameter, die bei der Auswahl einer Schottky-Diode für eine LED-Hinterleuchtung berücksichtigt werden müssen. Zu den wichtigsten zählen:

maximaler Durchlassstrom (Forward Current, IF): der maximale Gleichstrom, den das Gerät aufnehmen kann. Er steht in unmittelbarem Zusammenhang mit den Werten von Ipk und Iin(avg).
maximale Sperrspannung (Peak Re¬verse Voltage, UR): Sie wird definiert als die maximale Spannung, die über der Diode in Sperrrichtung angelegt werden kann. Für die Implementierung eines Hochsetzstellers ist diese Spannung gleich der Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers. Das Controller-Element des Aufwärtswandlers sollte in jedem Fall einen integrierten Überspannungsschutz beinhalten. Die Sperrspannung der Schottky-Diode sollte dann so nahe wie möglich am Schwellenwert des Überspannungsschutzes liegen, um den Wirkungsgrad des Hochsetzstellers nicht unnötig zu senken.
Stoßstromgrenzwert (Surge Non-Repetitive Forward Current, IFSM): der maximale Strom, den die Diode während einer Überspannungsbedingung schadensfrei leiten kann, wenn dieser in Form eines einzelnen Impulses auftritt.
Höchster periodischer Durchlassstrom (Repetitive Peak Forward Current, IFRM): der maximale Stromwert, den die Schottky-Diode leiten kann, ohne Schaden zu nehmen, wenn der Strom in Form von kontinuierlichen Impulsen auftritt. Er ist für eine Schottky-Diode immer geringer als der Stoßstromgrenzwert.
Sperrstrom (Reverse Current, IR) und Durchlassspannung (Forward Voltage, UF): Diese beiden Parameter sollten gemeinsam betrachtet werden. Halbleiterbausteine, die eine geringe Durchlassspannung aufweisen, haben heute meist einen vergleichsweise hohen Sperrstrom. Da die Schottky-Diode die meiste Zeit über in Sperrrichtung betrieben wird, hat der Sperrstrom eine beträchtliche Auswirkung auf die Verlustleistung der Diode. Es reicht deshalb nicht aus, allein auf eine möglichst geringe Durchlassspannung bei der Schottky-Diode zu achten. Ratsamer ist der Ansatz, die Parameter IR und UF gemeinsam zu kombinieren und dann zu bewerten, wie beide zur Gesamtverlustleistung der Diode beitragen. Zur Betrachtung der Verlustleistung können die beiden Gleichungen 4 und 5 herangezogen werden.

$left parenthesis 4 right parenthesis space space D equals thin space fraction numerator U subscript o u t end subscript plus U subscript F minus U subscript i n end subscript over denominator U subscript o u t end subscript plus U subscript F end fraction left parenthesis 5 right parenthesis space space P subscript D equals D times U subscript o u t end subscript times I subscript R plus left parenthesis 1 minus D right parenthesis times U subscript F times I subscript F$

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Bauform des Chipgehäuses

Um zu beurteilen, welches das passende Gehäuse für eine Schottky-Diode ist, die im Hochsetzsteller eines tragbaren Elektronikgeräts eingesetzt wird, sollten die Gehäusegröße und der Gehäusetyp betrachtet werden. Für die Implementierung des Aufwärtswandlers ist das Wärmemanagement von großer Bedeutung, da mehr und mehr Bauelemente in immer kleinere Geräte integriert werden müssen. Da nur wenig Platz für Kühlkörper verbleibt, sollte die Wahl auf ein Gehäuse mit einem geringen thermischen Widerstand und einem kurzen Wärmepfad vom Chip zur Leiterplatte fallen. Details der verschiedenen verfügbaren Gehäusetypen und ihrer Fähigkeit zur Wärmeableitung werden in Bild 3 gezeigt.

Der schrittweise Übergang von Quad-Flat-No-Lead-Gehäusen (QFN) zu diskreten Flat-No-Lead-Gehäusen (DFN) und dann zu verschiedenen dualen Silizium-No-Lead- (DSN-)Gehäuseformen führte zu einer deutlich höheren Wärmeableitung der Gehäuse. In dieser Hinsicht bieten aktuell die DSN-Gehäuse eine sehr hohe Effizienz, die durch einen deutlich verkürzten Wärmepfad zwischen dem Chip und der Leiterplatte und durch den Wegfall des Rahmens (Lead Frame) erreicht wird.
Was die Gehäusegröße betrifft, so haben die Platzbeschränkungen auf der Leiterplatte zur Folge, dass Entwickler Bauteile mit kleineren Gehäuse bevorzugen. Dies wiederum bedingt kleinere Chips. Bei Schottky-Dioden gilt: Je kleiner der Chip, desto höher wird die Vorwärtsspannung, weil sie in direktem Verhältnis zur Schottky-Kontaktfläche steht. Ein kleinerer Chip bedeutet aber auch einen kleineren Sperrstrom. Die Verlustleistungsberechnung mit Hilfe der Gleichungen 4 und 5 liefert einen ersten Einblick in die zahlreichen Kompromisse, die der Übergang auf kleinere Gehäuse mit sich bringt. Es ist nicht ratsam, eine Schottky-Diode in erster Linie wegen ihrer Gehäusegröße zu wählen. Die maximal akzeptable Gehäusegröße sollte bekannt sein, doch alle Gehäuseformate, die kleiner sind als diese, sollten idealerweise ebenfalls auf ihre Eignung überprüft werden.

Eine geeignete Schottky-Diode für die Konstruktion von Aufwärtswandlern für LED-Hinterleuchtungen zu finden, ist mit der Betrachtung von vielen Parametern und deren Abhängigkeit voneinander verbunden. Der Aufwand lohnt sich aber, denn wenn dieses Bauelement sorgfältig spezifiziert wird, wirkt es sich positiv auf die Batterielaufzeit und -Lebensdauer eines tragbaren Elektronikgeräts aus.

Der Autor

Steven Shackell

ist seit dem Jahr 2010 für ON Semiconductor im Bereich Kleinsignalverhalten tätig. Parallel dazu studierte er an der Arizona State University Elek¬tro¬technik und erhielt dort 2012 den Abschluss Bachelor of Science. Er ist Produkt¬entwickler in ON Semiconductors Small Signal Division.