Startseite > Power > Spannungswandler > Thermische Probleme gelöst

Point-of-Load-Wandler

Thermische Probleme gelöst

14. September 2016, 11:12 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Bewertungskriterien gesucht

Ein PoL-Regler mit 40 W/cm² muss besser sein als einer mit 30 W/cm², oder? Das Marketing nutzt die Leistungsdichte, die auch auf auf cm³ bezogen sein kann, als Werbeargument und Systemingenieure fordern jedes Jahr neue Regler mit höherer Leistungsdichte, um ihre neuen schnelleren, kleineren, ruhigeren und verlustleistungsärmeren Produkte gegen die Produkte ihrer Wettbewerber zu platzieren. Sollte eine höhere Leistungsdichte ein entscheidender Faktor bei der Wahl eines »besseren« PoL-Reglers sein? Werfen wir dazu einen Blick auf verschiedene Begriffe.

Zuallererst sollte man die Angabe der Leistungsdichte vergessen und stattdessen das Datenblatt des PoL-Reglers studieren und die thermischen Abfallkurven (Derating) suchen. Ein gut dokumentierter und charakterisierter PoL-Regler sollte viele solche Kurven zeigen, die den Ausgangsstrom bei unterschiedlichen Eingangsspannungen, Ausgangsspannungen und Luftströmen spezifizieren. Erfüllt er die Anforderungen an das eigene System bezüglich typischer und maximaler Umgebungstemperatur und Geschwindigkeit der Luftströme? Man erinnere sich, das Derating hängt vom thermischen Verhalten des Wandlers ab.

Am zweitwichtigsten ist der Wirkungsgrad. Für sich alleine ist dieser Wert irreführend und spiegelt die thermischen Eigenschaften eines PoL-Reglers nur ungenau wider. Es ist nötig, Eingangs- und Laststrom, Leistungsaufnahme am Eingang, Verlustleistung, Sperrschichttemperatur etc. zu berechnen. Aber für ein besseres Verständnis sollte man die Angabe des Wirkungsgrads zusammen mit dem Derating des Ausgangsstroms und weiteren thermischen Daten des Bausteins und seines Gehäuses studieren.

Ein Wirkungsgrad von 98 % eines Abwärtswandlers klingt unglaublich eindrucksvoll. Noch fesselnder ist es, wenn dieser dann noch eine hohe Leistungsdichte aufweist. Sollte man ihn einkaufen? Ein kluger Ingenieur wird nach der Auswirkung von 2 % weniger Wirkungsgrad fragen. Wie wirkt er sich auf die Gehäusetemperatur aus? Wie hoch sind die Sperrschichttemperaturen in einem solchen Regler mit einer so hohen Leistungsdichte und einem so hohen Wirkungsgrad bei +60 °C Umgebungstemperatur und einem Luftstrom von 200 LFM (Linear Feet per Minute)? Man muss über die typischen Werte, die für eine Raumtemperatur von +25 °C gelten, hinausschauen. Was sind die maximalen und minimalen Werte bei extremen Temperaturen von –40 °C, +85 °C oder +125 °C? Was, wenn der thermische Widerstand so hoch ist, dass die Sperrschichttemperaturen über die sichere Betriebstemperatur ansteigen? Muss dieser teure Regler auf einen so geringen Ausgangsstrom herabgesetzt werden, dass seine eingeschränkte Ausgangsleistung nicht länger die Kosten des Bausteins rechtfertigt?

Der letzte Faktor, den man beachten sollte, ist eine möglichst einfache Kühlung des PoL-Reglers. Der thermische Widerstand des Gehäuses, der im Datenblatt angegeben ist, ist der Schlüssel dafür, den Anstieg von Sperrschicht-, Umgebungs- und Gehäusetemperatur des Wandlers zu simulieren und zu berechnen. Da ein Großteil der Wärme in oberflächenmontierbaren Gehäusen von dessen Unterseite auf die Leiterplatte geleitet wird, müssen im Datenblatt Layout-Anleitungen und Angaben über thermische Messungen enthalten sein, um später in der Prototypenphase des Systems keine bösen Überraschungen zu erleben.

Ein gut entwickeltes Gehäuse sollte die Wärme effizient und gleichmäßig über seine Oberflächen abgeben, um damit Hitzestaus und Hotspots zu vermeiden, welche die Zuverlässigkeit eines PoL-Reglers reduzieren und deshalb eliminiert oder zumindest abgemildert werden sollten. Mit einem Luftstrom, wie er in den heutigen dicht gepackten komplexen Systemen vorherrscht, greift ein clever entwickelter PoL-Wandler auch diese »freie« Kühlmöglichkeit auf, um die Wärme von Komponenten wie MOSFETS und Spulen abzuleiten.

Es ist erst rund drei Jahre her, seitdem eine neuartige Modulgehäusetechnik die Vorteile nutzt, den verfügbaren Luftstrom zur Kühlung zu verwenden. Ein Kühlkörper wurde in das Modul gepackt und vergossen. Durch seine Form wurde der Kühlkörper mit den MOSFETs und Spulen, den Wärmequellen im Inneren des Gehäuses, verbunden, das andere Ende dieses Kühlkörpers war eine ebene Fläche, welche die Oberfläche des Gehäuses bildet. Bei dieser neuen Gehäusetechnik mit integriertem thermischem Management konnte der Baustein mit einem kleinen Luftstrom gekühlt werden, weil die Luft die Wärme von der Gehäuseoberfläche aufnahm, wo die flache Seite des Kühlkörpers Kontakt zur Luft hatte. Eine weitere neue Idee in der Gehäusetechnik zum Verbessern der thermischen Eigenschaften von PoL-Reglern mit hohen Lastströmen hat dieses Konzept nun weitergeführt.