Bildergalerie
Bild 1: Die Entwicklung im Bereich der Bauelemente und Gehäuse.
Bild 2a: Ansicht eines Micro-SIP-Moduls. Es hat eine Gesamtgröße von 6,7 mm² bei einer Höhe von maximal 1 mm.
Bild 2b
Bild 3: Gegenüberstellung zwischen einer diskreten Lösung und dem Micro-SIP-Modul.
Bild 4a: Blockschaltbild und Wirkungsgrad der TPS82740x-Familie.
Bild 4b
Das Angebot an Micro-SIP-Bausteinen im Überblick.

Eckdaten

Der Artikel widmet sich neueren Entwicklungen auf dem Gehäusesektor, die es möglich machen, eine komplette Stromversorgungslösung mit den Abmessungen eines QFN-Gehäuses und der einfachen Anwendung eines LDO zu realisieren.

Vor etwa zehn Jahren arbeitete ein vollintegrierter Abwärtswandler für 600 mA Ausgangsstrom mit einer Schaltfrequenz von 750 kHz. Er besaß eine Drossel mit einer Induktivität von 10 µH und war in einem bedrahteten Kunststoffgehäuse beispielsweise des Typs MSOP10 untergebracht. Das Gehäuse selbst benötigte eine Fläche von 3 × 5 mm2, nicht zuletzt weil es an zwei Seiten Anschlüsse aufwies. Passive Bauteile wie etwa Keramik-Kondensatoren hatten das Format 1206 mit Maßen von 3 × 1,5 mm2. Weitere 4,5 × 4,5 mm2 belegte die Drossel, das mit einer Höhe von 3 mm bei weitem größte Bauteil, sowohl hinsichtlich Fläche als auch Volumen. Eine komplette Stromversorgungslösung erforderte eine Leiterplattenfläche von insgesamt 170 mm². Kurze Zeit später wurden QFN-Gehäuse zum Standard, deren Anschlüsse sich unten am Gehäuse befanden und somit keinen zusätzlichen Platz benötigten, sodass sich der Platzbedarf für einen bestimmten Pin Count minimieren ließ. Darüber hinaus sorgte das Power-Pad, eine herausgeführte Metallfläche an der Unterseite des Gehäuses, für einen geringen Wärmewiderstand zur Leiterplatte, wodurch sich die Ausgangsleistung anheben ließ. Zusammen mit den Fortschritten bei den passiven Bauelementen war es hiermit möglich, die Gesamtabmessungen um den Faktor 14 auf nur mehr 28 mm² zu verringern.

Günstigere elektrische Eigenschaften

Zu diesem Fortschritt beigetragen hat auch die Erhöhung der Schaltfrequenz in den Bereich von 2 MHz. Hierdurch reduzierte sich die benötigte Induktivität auf 2,2 µH. Wegen des direkten Zusammenhangs zwischen der Induktivität einer Drossel und ihren äußeren Abmessungen ließen sich diese Bauteile entsprechend kleiner dimensionieren. Zusätzlich erlaubt die höhere Schaltfrequenz das Design von Stromversorgungen mit günstigeren elektrischen Eigenschaften, wie etwa einem besseren Ansprechverhalten. Darunter versteht man die Fähigkeit des Regelkreises, auf Änderungen des Ausgangsstroms oder der Eingangsspannung zu reagieren. Verändert sich der Ausgangsstrom, muss sich auch der Drosselstrom anpassen. Dies dauert jedoch eine gewisse Zeit, da sich der Strom in der Drossel nur abhängig von der an der Drossel anliegenden Spannung ändern kann. Bei einer kleineren Induktivität modifiziert sich der Strom bei gleichem Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung schneller, sodass zügiger auf Änderungen des Ausgangsstroms reagiert wird. Von Nachteil ist allerdings, dass die Schalt- und Magnetisierungsverluste mit der Schaltfrequenz ansteigen.

Aus diesem Grund arbeitet die Mehrzahl der Schaltwandler noch mit Schaltfrequenzen im Bereich von 2 bis 6 MHz. Dabei werden die niedrigeren Frequenzen meist für Anwendungen verwendet, bei denen die Eingangsspannung relativ hoch ist oder bei denen es auf einen hohen Wirkungsgrad ankommt. Dagegen bieten höhere Schaltfrequenzen Vorteile hinsichtlich der Ansprecheigenschaften und der insgesamt kleinsten Lösungsabmessungen.

Weiter reduzierte Abmessungen

Der nächste Entwicklungsschritt bestand in der Verwendung von Chip Scale Packages für die Leistungsbauelemente. Da es hier kein Gehäuse im eigentlichen Sinne mehr gibt, reduzieren sich die Abmessungen weiter. An seiner Oberseite ist das Halbleiterbauelement lediglich von einem dünnen Film bedeckt, der die Beschriftung trägt und den Halbleiter vor mechanischen Einflüssen schützt. Auf der Unterseite, an der sich die aktiven Schaltungen befinden, sind kleine Kügelchen angebracht zum Herstellen der elektrischen Anschlüsse. Das Chip Scale Packaging ist die kleinstmögliche Gehäusebauart. Allerdings muss der Halbleiterbaustein ausreichend groß für die benötigte Anzahl elektrischer Verbindungen sein.

Bei Mikroprozessoren ist es gängige Praxis, den Speicherchip auf dem Prozessorchip anzuordnen oder mehrere Chips aufeinander zu stapeln. Was spricht dagegen, dies auch mit den passiven Bauelementen eines Schaltnetzteils zu tun? Genau diesen Weg hat man bei den Bausteinen der TPS82xxx-Familie beschritten: Die passiven Bauteile sind hier auf den Halbleiter gestapelt. Allerdings hat man sie nicht direkt auf dem Halbleiter platziert, sondern der Halbleiter ist in eine Leiterplatte eingebettet, auf der wiederum die passiven Bauelemente angeordnet werden.

In Anwendungen, die auf kompakte Lösungen angewiesen sind, zählt in der Regel nicht nur der Flächenbedarf, sondern auch das Volumen. Eine Lösung muss deshalb auch in Bezug auf die Bauhöhe mit diskreten Implementierungen konkurrieren können.

Die Micro-SIP-Module der TPS82xxx-Familie bieten eine Lösung mit einer Gesamtgröße von 6,7 mm² bei einer Höhe von maximal 1 mm. Dies ist realisierbar indem man den Halbleiterbaustein in einer 300 µm dicken Leiterplatte unterbringt, die auf ihrer Oberseite die passiven Bauelemente trägt und an der Unterseite mit Anschlusskügelchen versehen ist, ähnlich wie bei WCSP- oder BGA-Gehäusen. Somit lässt sich ein solches Modul genau wie ein BGA-Gehäuse aufnehmen, bestücken und löten. Dadurch gelang es, die Abmessungen der Lösung gegenüber einer diskreten Implementierung zu halbieren. Ein direkter Vergleich zwischen einer diskreten Lösung und dem Micro-SIP ist in Bild 3 zu sehen.

Für Anwendungen mit sehr geringer Stromaufnahme

Texas Instruments bietet mehrere Abwärtswandler-Familien an. Während die Reihe TPS8267x den Bereich geringerer Ausgangsspannungen von 1,05 bis 1,86 V mit Ausgangsströmen bis 600 mA abdeckt, ist die TPS8269x-Familie für höhere Ausgangsspannungen (2,2 bis 3,0 V) und bis zu 800 mA Ausgangsstrom ausgelegt. Die Familie TPS82740x ist für eine äußerst geringe Leistungsaufnahme in batteriebetriebenen Anwendungen optimiert. Bei ihr kann die Ausgangsspannung mithilfe von drei digitalen Eingängen aus einer vorgegebenen Auswahl eingestellt werden. Da somit kein externer Widerstand zum Festlegen der Ausgangsspannung nötig ist, kommt es nicht zu Genauigkeitseinbußen. Mit einer Ruhestromaufnahme von lediglich 360 µA bieten diese Bauelemente ideale Voraussetzungen für Anwendungen mit sehr geringer Stromaufnahme.

Der jüngste Neuzugang der TPS8268x-Familie ähnelt der Reihe TPS82740x mit ihrem bis 5,5 V reichenden Eingangsspannungsbereich. Sie kann damit nicht nur an der üblichen niedrigeren Versorgungsspannung wie 3,3 V oder an Li-Ion-Akkus betrieben werden, sondern auch an 5 V. Mit Ausgangsströmen bis 1,6 A kommt die TPS8268x-Familie auf eine Leistungsdichte von beinahe 240 mA/mm². Dank Spread-Spectrum-Modulation (SSM) bietet sie ein geringes Störaufkommen und eignet sich somit auch für empfindliche Anwendungen wie etwa optische Module. Da sich der Ausgangskondensator bei Deaktivierung des Bausteins automatisch entlädt, ist sichergestellt, dass die Ausgangsspannung bei abgeschaltetem Wandler auf null zurückgeht.

Micro-SIP-Gehäuse erlauben es nicht nur, die Abmessungen der Module zu reduzieren. Vielmehr lässt sich mit ihnen eine komplette Stromversorgungslösung in einem einzigen Bauelement unterbringen, das genauso einfach anzuwenden ist wie ein Linearregler. Da die passiven Bauteile unmittelbar über dem Halbleiter angeordnet sind, ergeben sich extrem kurze elektrische Verbindungen mit entsprechend geringen parasitären Effekten. Das Resultat sind sehr gute elektrische Eigenschaften, was das Rauschen und das Ansprechverhalten angeht. Da sämtliche kritischen Verbindungen zwischen dem Halbleiterbaustein und den passiven Bauteilen auf der Leiterplatte des Micro-SIP verlaufen, muss sich der Anwender ausschließlich um die unkritischen DC-Stromversorgungsleitungen kümmern.