Texas Instruments
MagPack ermöglicht mehr Leistung auf weniger Raum
Die neuen Power-Module von Texas Instruments auf Basis der MagPack-Technologie zeichnen sich durch vier entscheidende Vorteile aus, mit denen sich mehr Leistung auf weniger Raum unterbringen lässt.
Arbeiten Sie daran, die Datenrate der nächsten Generation Ihres Opto-Moduls zu verdoppeln, ohne das bisherige Format zu verlassen und das bestehende Leistungsbudget aufzugeben? Oder wurden Sie beauftragt, Ihr Machine-Vision-System mit einem weiteren Sensor auszustatten, obwohl auf der Leiterplatte kein Platz mehr ist und die Verlustleistung jetzt schon zu hoch ist?
Wenn ein Entwickler von einem Power-Modul mehr erwartet als nur eine geringfügige Verbesserung gegenüber der vorigen Generation, dürften die neuen Power-Module von TI das Richtige sein, denn diese basieren auf der neuen, proprietären MagPack-Technologie (Integrated Magnetic Packaging) des Unternehmens und verbessern sowohl die Leistungsdichte als auch den Wirkungsgrad und die thermischen Eigenschaften. In Industrie-, Enterprise- und Kommunikations-Anwendungen können die Bauelemente folglich mit einfacher Anwendung und reduziertem EMI-Aufkommen punkten. Insgesamt ergeben sich vier Vorteile.
Vorteil 1: Höhere Leistungsdichte und kleinere Abmessungen
Die MagPack-Technologie trägt dazu bei, die Leistungsdichte zu erhöhen und kleinere Abmessungen zu ermöglichen, und tatsächlich zeichnen sich die 6-A-Module TPSM82866A, TPSM82866C und TPSM82816 allesamt durch kleinere Abmessungen aus als andere 6-A-Power-Module auf dem Markt. Angegeben wird die Leistungsdichte als Quotient aus Ausgangsstrom und Fläche (in mm2). Mit ihren Maßen von 2,3 mm × 3 mm beträgt die Fläche der Power-Module TPSM82866A und TPSM82866C genau 6,9 mm2, woraus sich eine Leistungsdichte von 0,87 A/mm2 ergibt.
Ein Ausgangsstrom von knapp 1 A pro Quadratmillimeter ist ein herausragender Wert, besonders wenn man berücksichtigt, dass ein Bauelement im 0603-Zoll-Format (metrisch 1608) eine Fläche von 1,28 mm2 einnimmt. Das standardmäßige Leiterplatten-Design des Evaluierungsmoduls, basierend auf einfachen Entwurfsregeln und mit großen passiven Bauelementen bestückt, benötigt insgesamt eine Fläche von 28 mm2 für eine komplette 6-A-Stromversorgung.
Vorteil Nummer 2: Hoher Wirkungsgrad und gute thermische Eigenschaften
In der Priorität rangiert die Notwendigkeit, die Abwärme möglichst effektiv aus dem kleineren Gehäuse abzuführen, gleich nach der Frage nach reduzierten Abmessungen und einer höheren Leistungsdichte, denn eine gute Wärmeabführung sorgt für einen zuverlässigen Betrieb des Power-Moduls.
Um die AC- und DC-Verluste zu verringern, ist die bei der MagPack-Technologie verwendete Induktivität genau auf den Halbleiter-Die abgestimmt. Die Kombination dieser beiden Schaltungselemente mit dem leistungsfähigen, durch hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichneten MagPack-Gehäuse trägt wirksam zur effizienten Entwärmung des Power-Moduls bei.
Der eigentliche Halbleiter verfügt über eine optimierte Induktivität und ein optimiertes Gehäuse, was einen hohen Wirkungsgrad und einen geringen Temperaturanstieg ermöglicht.
Bild 3 zeigt den Wirkungsgrad des TPSM82866A, während aus Bild 4 der sichere Betriebsbereich (Safe Operating-Area, SOA) des Bausteins hervorgeht. Ein derart großer SOA ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb bei höheren Umgebungstemperaturen und reduziert das notwendige Derating für Anwendungen mit langer Lebensdauer.
Vorteil Nummer 3: Einfache Anwendung sorgt für kürzere Markteinführungszeiten
Wie erwähnt enthalten Bauelemente auf Basis der MagPack-Technologie bereits die notwendige Induktivität. Diese stellt beim Design von Stromversorgungen sonst nämlich dasjenige Bauteil dar, das nicht nur am schwierigsten auszuwählen und zu beschaffen ist, sondern wegen seines Platzbedarfs, seiner Höhe und seiner Interferenzen mit anderen Schaltungen auch mit am schwierigsten auf der Leiterplatte unterzubringen und zu verdrahten ist. All diese Probleme fallen weg, wenn die Induktivität bereits im Power-Modul enthalten ist; die bei der MagPack-Technologie verwendete Induktivität jedoch entschärft die diesbezüglichen Herausforderungen noch weiter. Die MagPack-Technologie sorgt für einen hohen Wirkungsgrad und hervorragende thermische Eigenschaften und erleichtert überdies ein weiteres bedeutendes Thema aller Stromversorgungs-Designs, nämlich die elektromagnetischen Interferenzen (EMI).
Vorteil Nummer 4: Reduzierung des EMI-Aufkommens
Power-Module auf Basis der MagPack-Technologie sind abgeschirmt. Dies betrifft nicht allein die Induktivität, denn neben der Induktivität ist auch der gesamte Die sowie der Schaltknoten von einer Abschirmung umgeben. Zusätzlich sorgen die kleinen Abmessungen der Power-Module mit MagPack-Technologie sowie das optimierte Routing innerhalb der Module dafür, dass die mit Störgrößen behafteten Signale kürzere Wege zurücklegen müssen, und zwar sowohl im Power-Modul selbst als auch im gesamten System.
Aus den Bildern 5 und 6 gehen die vorläufig gemessenen Störabstrahlungen des TPSM82866A ohne bzw. mit MagPack-Technologie hervor. Die Maximalwerte der Störabstrahlungen verringern sich um etwa 2 dB bei horizontaler Polarisation bzw. um 8 dB bei vertikaler Polarisation.
Fazit
Unabhängig davon, um welche Art von Leistungswandlungs-System es im Einzelfall geht, bieten die neuen, auf der MagPack-Technologie basierenden Power-Module von Texas Instruments die Möglichkeit, die Abmessungen zu reduzieren, den Wirkungsgrad und die thermischen Eigenschaften zu verbessern und die Anwendung einfacher zu machen. Was ließe sich alles auf der frei werdenden Leiterplattenfläche unterbringen, wenn die PoL-Stromversorgungen (Point of Load) in einer Anwendung um 20 Prozent kleiner würden? Man könnte beispielsweise die Datenrate anheben, mehr Kanäle unterbringen oder das betreffende Produkt durch zusätzliche Features oder Sensoren aufwerten. Insgesamt ergibt die MagPack-Technologie also ein besseres Power-Modul, mit dessen Hilfe unterm Strich ein besseres Produkt an den Kunden abgeliefert werden kann.
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