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3D-Power-Packaging für PoL-Wandler

Power-Module folgen dem Moore‘schen Gesetz

23. Januar 2023, 10:47 Uhr | Von Matthew Dauterive, DC/DC-Produktmanager Recom

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Leistungsmodule für alle Anwendungen

Point-of-Load-Wandlermodule haben keine Standardeingangsbereiche, und die benötigten Ausgänge können von etwa 0,5 bis 3,3 V oder möglicherweise bis 5 V für ältere Designs reichen. Auch die Stromstärken können von unter einem Ampere bis zu mehreren zehn Ampere variieren.

Der Eingang eines Power-Moduls kann von einem regulierten Bus mit 12 V, 5 V, 3,3 V oder manchmal einem Zwischenwert wie 9 V stammen. Bei batteriebetriebenen Geräten kann der Eingang von einer Lithium-Ionen-Zelle mit etwa 3,7 V kommen, die aber beim Laden über 4 V und bei starker Entladung 3 V oder weniger betragen kann. Ebenso kann der Eingang von einer ungeregelten Quelle stammen und in einem Bereich von 2:1 oder mehr schwanken.

Um eine breite Palette von Anwendungen abzudecken, bietet Recom jetzt auch Bauteile der RP- und RB-Serien mit Eingängen von bis zu 0,85 V für einen Aufwärtswandler und bis zu 65 V für einen Abwärtswandler an. Alle Bauteile haben einstellbare Ausgänge und decken Anwendungen ab, die Ausgänge von 0,6 bis 35 V benötigen. Ihre Nennströme liegen zwischen 0,5 und 15 A. Bild 5 gibt einen Überblick über die derzeit verfügbaren Abwärtswandler-Kombinationen.

Bild 6 zeigt die Palette der von Recom erhältlichen Boost-Power-Module mit einer Nennleistung von bis zu 10 A. Bei den RBB5-1.5 und RBB10 handelt es sich um Buck-Boost-Module, bei denen der Ausgang höher oder niedriger als der Eingang sein kann, was nützlich ist, um eine regulierte Leistung von einer Batteriequelle aufrechtzuerhalten, während diese sich entlädt.

Mit zunehmender Stromstärke und Leistung der Recom-Power-Module werden diesen zusätzliche Funktionen hinzugefügt, zum Beispiel ein »Power Good«-Signal für die meisten Bauteile mit einer Nennleistung von 1 A und mehr, ein Foldback-Überstromschutz für das RPL-1.0 und RPL-2.0 und ein extrem niedriger Ruhestrom für das RPZ-0.6. Recoms leistungsstärkstes Modul, das RPL-15, kann auch mit vorgespannten Lasten starten und verfügt über Schaltfrequenzwahl und Fernabtastung. Darüber hinaus verfügt das Bauteil über eine »Instant PWM«-Architektur für schnelles Einschwingverhalten. Ein Überspannungsschutz am Ausgang ist ebenso vorhanden wie eine einstellbare Eingangsunterspannungsabschaltung und ein Softstart.

Mit Ausgangsströmen von bis zu 1,5 A sind die angebotenen Aufwärtswandler mit einem Überspannungsschutz am Ausgang ausgestattet und verfügen alle über eine echte Lasttrennungsfunktion, wenn sie deaktiviert sind. Dies ist notwendig, da normalerweise ein direkter Gleichstrompfad durch einen Aufwärtswandler verläuft, wenn er nicht schaltet. Alle Abwärts- und Aufwärtswandler verfügen außerdem über einen Übertemperatur- und Ausgangsüberstromschutz.

Das Moore‘sche Gesetz
auf PoL-Wandler angewandt?

Haben die Power-Module also mit dem Moore‘schen Gesetz Schritt gehalten? Nehmen wir ein paar Beispiele und vergleichen PoL-Wandler mit 24-V-Eingang und 3,3-V-Ausgang bei 4 A. Vor nur vier Jahren, im Jahr 2018, wurde ein Bauteil als »führend in der Weiterentwicklung der Stromumwandlung« beworben. Es hatte eine Grundfläche von 33 mm × 13,6 mm und war 8,8 mm hoch. Sein Volumen betrug 3950 mm3. Heute hat der Recom RPX-4.0 eine Grundfläche von 5 mm × 5,5 mm, ist 4,1 mm hoch und hat ein Volumen von nur 13 mm3. Verbunden sind diese Werte mit einer 35-fachen Steigerung der Leistungsdichte. Interessanterweise ist der Wirkungsgrad der beiden Bauteile in etwa gleich, wobei die Verbesserung auf eine höhere Schaltfrequenz mit kleineren Komponenten und 3D-Power-Packaging-Techniken zurückzuführen ist.

Ein anderes Beispiel ist die Umwandlung von 5 V in 1,8 V bei 2 A. Ältere Bauteile mit Durchgangsbohrungen haben immer noch eine Grundfläche von 14 mm × 7,5 mm und eine Höhe von 10,1 mm. Vergleichen Sie dies mit dem RPZ-2.0 mit 3 mm × 3 mm und 1,1 mm Höhe (Bild 7) und einer Steigerung der Leistungsdichte um den Faktor 107. So hat sich der Platzbedarf fast um den Faktor 12 verringert, zudem nimmt das Recom-Bauteil nur eine Seite der Hauptplatine ein und die Unannehmlichkeiten einer möglichen manuellen Platzierung und des Lötens von Durchgangslöchern werden vermieden.

Wertbeitrag von Leistungsmodulen

Bei älteren PoL-Wandlern mit Open-Frame-DIP-Technologie war es für die Benutzer oft offensichtlich, dass die gleichen Komponenten auf ihrem Motherboard eingebaut werden konnten, was den Wert eines zugekauften Moduls fraglich machte. Selbst platzsparende SIP-Teile konnten vom Benutzer leicht nachgebaut werden, um Kosten zu sparen, indem er dieselben Komponententypen und Montagetechniken verwendete, die er bereits auf seinen Hauptplatinen einsetzte. Power-Module, die 3D-Power-Packaging-Technologie verwenden, können jedoch nicht wirtschaftlich in der Motherboard-Fertigungstechnologie repliziert werden.

Power-Module lassen sich jetzt als Komponenten wie Widerstände oder Kondensatoren betrachten, die ein Benutzer niemals selbst herstellen würde. Auch ermöglicht ihre Miniaturisierung es jetzt, die Power-Module problemlos um oder unter anderen Komponenten anzubringen, und die hochautomatisierten Fertigungstechniken, die jetzt eingesetzt werden, senken die Kosten und erhöhen die Zuverlässigkeit.