DC/DC-Wandler
Wirkungsgrad allein ist kein Auswahlkriterium
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Thermisch verbesserte Gehäuse
In einem vergleichbaren, thermisch verbesserten LGA-Gehäuse (Land Grid Array) mit 15 mm × 15 mm Grundfläche und 4,32 mm Höhe ist der Abwärtswandler LTM4611 untergebracht. Er kann als Point-of-Load-DC/DC-Wandler ICs mit bis zu 15 A aus einer Zwischenkreisspannung von z.B. 3,3 V versorgen.
Bild 4 zeigt den Wirkungsgradverlauf des LTM4611 abhängig vom Laststrom für unterschiedliche Eingangsspannungen. Die Wirkungsgradkurve des LTM4611 für eine gegebene Eingangsspannung ist relativ flach, was die Planung der Kühlung vereinfacht.
Der Entwickler kann einen Schaltungs- und Layout-Entwurf mit dem LTM4611 erneut verwenden - in weiteren Produkten -, selbst wenn die Ausgangsspannung auf Grund neuerer ICs mit kleineren Strukturbreiten auf einen niedrigeren Wert gewechselt werden muss.
Für eine steigende Anzahl von Anwendungen ist eine reduzierte Verlustleistung bei kleinen Lasten wichtiger als bei hoher Last - wenn nicht sogar am wichtigsten. Digitale Schaltkreise werden, zum Sparen von Energie, immer mehr bewusst so entwickelt, dass sie solange wie möglich im Stromsparmodus arbeiten können und ihre Spitzenleistung (volle Last) nur zeitweise aufnehmen.
Das LGA-Gehäuse erlaubt eine beidseitige Wärmeabführung - nach oben und nach unten. Es erleichtert den Einsatz eines Metall-Chassis oder BGA-Kühlkörpers und bietet eine exzellente Wärmeableitung mit oder ohne Lüfter. Bild 5a zeigt das Infrarot-Bild der Oberseite des LTM4611 bei einer Verlustleistung von 3,5 W ohne Luftstrom zur Kühlung, getestet im Labor, beim Wandeln von 5 V Eingangsspannung auf 1,5 V Ausgangsspannung mit 15 A. Die höchste Oberflächentemperatur wird bei rund 65 °C gemessen.
Beim Wandeln einer 1,8-V-Eingangsspannung auf 1,5 V Ausgangsspannung mit 15 A (Verlustleistung: 3,2 W) zeigt das Infrarotbild (Bild 5b) der Oberfläche des LTM4611 im Vergleich zu Bild 5a nur, dass sich die Positionen der heißen Stellen leicht verändert haben, nicht ihre Temperatur.
Thermografie-Video zeigt Erwärmung und Wärmeverteilung
Für viele µModule-DC/DC-Wandler bietet Linear Technology, zusätzlich zu den Darstellungen im Datenblatt (z.B. Wirkungsgradverlauf und temperaturbedingte Leistungsreduktion), kurze Video-Clips an, um die thermischen Eigenschaften zu belegen. Die 45 s dauernden „Tech Clip“-Videos helfen, das thermische Verhalten eines Bausteins zu verstehen.
Für den LTM4611 z.B. wurde eine Infrarotkamera verwendet, um den Verlauf der Temperaturänderung auf der Gehäuseoberfläche zu zeigen, wenn er sich im Betrieb erwärmt [1]. Im Video-Clip sind zwei Temperatur-Messpunkte auf der Gehäuseoberseite markiert (1 und 2). Die während der Videoaufnahme gemessene Umgebungstemperatur lag bei 31,5 °C.
Bei solchen Thermografieaufnahmen ist zu beachten, dass die Farben (von blau über gelb zu weiß) den Temperaturgradienten anzeigen und nicht die absolute Temperatur. Die Farbe Gelb kann in einem Fall einer Temperatur von 70 °C entsprechen, unter anderen Testbedingungen jedoch 110 °C. Deshalb ist zusätzlich zur Farbe stets noch die absolute Temperaturangabe zu beachten.
Im „Tech Clip“ des LTM4611 wird bei 1,8 V Eingangsspannung, gewandelt auf 1,5 V Ausgangsspannung (extreme Low-Dropout-Schaltregelung), mit einem sehr hohen Laststrom (15 A) gemessen. Kein Linearregler bietet bei 15 A Laststrom eine derart niedrige Spannungs- differenz zwischen Eingang und Ausgang. Und selbst wenn es ein Linearregler könnte, er würde 4,5 W Verlustleistung in Wärme umsetzen - Wirkungsgrad: 83 %.
Der LTM4611 begnügt sich dagegen mit nur 3,2 W Verlustleistung und sein heißester Bereich liegt ohne zusätzliche Kühlmaßnahme bei nur 65 °C, was vernachlässigbar ist. Diese niedrige Temperatur erlaubt einen sehr kompakten Schaltungsaufbau, da die Einschränkungen durch Maßnahmen zur Wärmeableitung deutlich geringer sind. Die Platzierung des DC/DC-Wandlers ist deutlich freier möglich und wird nicht mehr von Kühlkörpern, Lüftern und großen Kupferflächen auf der Leiterplatte dominiert.
Weblink
[1] http://video.linear.com/55
| Die Autoren |
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| Afshin Odabaee arbeitet als Produktmarketing-Ingenieur für die Power-Produktlinie bei Linear Technology Corp. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik (BSEE) mit Schwerpunkt auf Analogtechnik der Universität von Santa Clara, USA und verfügt über zwölf Jahre Erfahrung in der Industrie. Email: a.odabaee@linear.com Alan Chern hat einen MBA von der San Jose State University und einen BSEE von der University of California, Santa Cruz. Er ist leitender Entwicklungsingenieur bei Linear Technology Corp. und verantwortlich für die µModule-Power-Produkte - Entwicklung, Test und Demo-Board-Produktion. Darüber hinaus ist er in Kundenprojekte eingebunden und betreut die Entwicklung von Stromversorgungen mit µModulen. Email: achern@linear.com Jason Sekanina ist als Entwicklungsingenieur bei Linear Technology Corp. verantwortlich für die µModule-Power-Produkte vom ersten Konzept bis zur Serienfertigung incl. der Produktdefinition und der elektrischen und thermischen Eigenschaften. Er hat 13 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Leistungselektronik und der Entwicklung von Stromversorgungen. Jason Sekanina hat einen Bachelor-Abschluss in Angewandter Mathematik vom California Institute of Technology. Email: j.sekanina@linear.com |
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