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Point-of-Load-Wandler

Thermische Probleme gelöst

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Gestapelte Spulen als Kühlkörper

Die Größe einer Spule in einem PoL-Regler hängt von vielfältigen Faktoren ab, u. a. von Spannung, Strom, Schaltfrequenz und Aufbau. In einer Modullösung, in der die DC/DC-Wandlerschaltung einschließlich der Spulen vergossen und in ein Plastikgehäuse gekapselt ist und einem IC gleicht, diktiert die Größe der Spule die Dicke, das Volumen und das Gewicht des Gehäuses. Zudem erzeugt die Spule Wärme.

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Der in das Gehäuse integrierte Kühlkörper führt, wie bereits diskutiert, Wärme von den MOSFETs und der Spule zur Oberseite des Gehäuses. Diese Technik eignet sich jedoch nur bei kleineren Spulen mit geringeren Strömen, weil sie leicht und einfach in das gegossene Plastikgehäuse hineinpassen. Bei PoL-Reglern, die höhere Leistungen schalten und damit größere Spulen für höhere Ströme haben, zwingt deren Platzieren innerhalb des Gehäuses dazu, weitere Komponenten der Schaltung herauszunehmen und damit den Flächenbedarf des Gehäuses zu vergrößern. Eine größere Grundfläche bedeutet auch ein schwereres Gehäuse. Um die Grundfläche klein zu halten und die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern, haben die Gehäuseentwickler einen weiteren Trick angewandt: Sie gehen in die Vertikale, sie stapeln also oder werden dreidimensional (Bilder 1 und 2).

Eine kleine Platinengrundfläche, höhere Versorgungsleistung und verbesserte thermische Eigenschaften – alle drei Eigenschaften lassen sich mit einer 3D-Gehäusetechnik gleichzeitig erreichen. Der LTM4636 (Bild 3) ist ein µModule-Regler von Linear Technology mit integriertem Regler-IC, MOSFETs, unterstützenden Schaltkreisen und einer großen Spule auf dessen Oberseite. Er kann Lastströme aus einem 12-V-Eingang bis zu 40 A für präzise geregelte Ausgangsspannungen zwischen 3,3 V und 0,6 V liefern. Vier dieser Module lasse sich parallelschalten und liefern so zusammen bis zu 160 A.

Um den Flächenbedarf klein zu halten (16 mm × 16 mm BGA), wird die Spule mit großem Flächenbedarf gestapelt und mit zwei Kupfer-Leadframes gesichert, sodass der Rest der Schaltungskomponenten (Dioden, Widerstände, MOSFETs, Kondensatoren und Regler-IC) darunter auf das Substrat gelötet werden können. Wäre die Spule auf dem Substrat platziert, könnte der µModule-Regler leicht über 1225 mm² Fläche auf der Leiterplatte benötigen, so sind es lediglich 256 mm². Diese Technik belohnt die Systementwickler mit einem sehr kompakten PoL-Reglerlayout, hat aber noch einen weiteren wesentlichen Vorteil: Sie zeigt gute thermische Eigenschaften. Die gestapelte Spule im LTM4636 ist nicht mit dem Plastikmaterial vergossen (eingekapselt), der Rest der Komponenten schon. Die Spule ist der Luft ausgesetzt, und mit ihren sanften Kanten und erhöhter Struktur streicht die Luft vollständig darum herum und über sie hinweg (minimale Störung des Luftstroms).

Zusätzlich zur Ableitung der Wärme über die Oberseite ist der LTM4636 so entwickelt, dass er effizient Wärme von der Unterseite des Gehäuses auf die Leiterplatte ableitet. Er hat 144 Lötbälle mit Bänken, die für Masse, U_IN und U_OUT vorgesehen sind, wo hohe Ströme fließen. Gemeinsam wirken diese Lötbälle als Wärmepfad zur Leiterplatte. Der LTM4636 ist also darauf optimiert, Wärme sowohl von der Ober- als auch Unterseite des Gehäuses abzuführen. Bei einer Eingangsspannung von 12 V und dem Laststrom von 40 A bei 1 V Ausgangsspannung zeigt der Wandler nur 40 K Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur (Bild 4). Die Bilder 5 und 6 zeigen das Derating und den Wirkungsgrad dieses Bausteins.