Der lange Weg zum 100-A-µModule-Regler

Ein µModule-Baustein ähnelt einem oberflächenmontierbaren IC, enthält aber sämtliche notwendigen unterstützenden Komponenten, die normalerweise nötig sind, um eine Schaltung zur Leistungswandlung zu konstruieren. Dies sind ein DC/DC-Controller, MOSFETs, Induktivitäten, Kondensatoren oder Widerstände, die alle auf einem thermisch effizienten Laminatsubstrat aufgebaut sind und sich anschließend mit einer Plastikkappe kapseln lassen. Das Ergebnis ist eine komplette Stromversorgung, die sich einfach auf eine Leiterplatte (PCB) löten lässt.

Bild 1: Querschnitt durch einen µModule-Regler im BGA-Gehäuse ADI

Ein genauer Blick auf den internen Aufbau eines typischen µModule-Produkts offenbart, dass die Gehäuseoptionen entweder ein LGA (land grid array) oder ein BGA (ball grid array) sind. Die verwendeten Komponenten, um die interne getaktete Stromversorgungsschaltung zu erstellen, können dabei ein einzelner, ungehauster Chip sein, aber auch Bausteine im eigenen Gehäuse. Nichtsdestotrotz sind alle diese Komponenten auf einem Laminatsubstrat aus Bismaleimid-Triazin (BT) montiert, das ein sehr gutes elektrisches und thermisches Verhalten hat. Zudem sind µModule nicht nur hoch integriert, sie bieten auch noch andere bessere Eigenschaften und Leistungscharakteristika als Wettbewerbsalternativen. Nach den hohen Qualitätsstandards der Industrie gefertigt reduziert diese Produktfamilie das Risiko, die Zeit und den Aufwand, um erfolgreich Lösungen mit hoher Leistungsdichte zu entwickeln.

Probleme der Leistungselektronik

Die Erfahrung in der Entwicklung von Leistungselektronik nimmt auf globaler Basis immer weiter ab und es gibt in den meisten Entwicklungsstandorten einfach nicht genug Ressourcen für die Entwicklung von Stromversorgungen. Laut Fachpresse beträgt das Durchschnittsalter eines Diplomingenieurs 57 Jahre – und dies ist eine globale Statistik, in der China das jüngste Durchschnittsalter aufweist. Die größten Probleme der Entwicklungsingenieure von Leistungselektronik bestehen darin, dass es zu wenige Mitarbeiter gibt, um die Arbeit zu erledigen. Zusätzlich stellen das Finden der optimalen Komponenten für eine Entwicklung und der Druck einer schnellen Markteinführung die Entwickler vor eine große Herausforderung.

Diese Probleme veranlassten Analog Devices dazu eine vollständige Stromversorgung zu entwickeln, die ab Lager mit allen Leistungskriterien sofort in der Endanwendung einsatzfähig ist. Dabei ist auch die benötigte Leiterplattenfläche von großer Bedeutung, denn es sind immer mehr Funktionen und Fähigkeiten in immer kleinere Formate zu packen. Dies hat zur Folge, dass auch die thermischen Anforderungen weiter steigen, da Entwickler versuchen, immer mehr Fähigkeiten in immer engere Räume zu integrieren und damit mehr Versorgungsleistung in einer Umgebung anfällt, die nur einen eingeschränkten Luftstrom zur Kühlung zulässt.

Die Leiterplattenfläche hat in den meisten Entwicklungen eine hohe Priorität. Jede Daten- oder Telekommunikationsbaugruppe ist zwangsläufig mit vielen digitalen Prozessoren, ASICs und Speicherbausteinen bestückt. Sie sind alle mit Strom zu versorgen, wobei die Spannungspegel zwischen über 5 und 0,6 V variieren können, nachdem ein Wandler sie von einer Spannung von 12 bis 48 V auf dem Zwischensystembus herunter gewandelt hat.

Designprobleme lösen

Bild 2: Wärmebilder von µModule-Reglern unterschiedlichen Typs. Die Wärmeableitung erfolgt über die Oberfläche an die Luft. ADI

Thermische Einschränkungen stellen ein immer größeres Problem dar. Weil immer mehr Funktionen auf der Leiterplatte Platz finden, steigen die benötigten Leistungspegel, um sie darauf zu betreiben, auch weiter an. Mittlerweile ist das Kühlen wegen der Platzbeschränkungen für Kühlkörper und des eingeschränkten Luftstroms ein wichtiges Kriterium. Dies stellt Entwickler vor große Herausforderungen, weil es eine maximale interne Temperaturbeschränkung im System gibt, die es nicht zu überschreiten gilt, ohne damit die Leistungsfähigkeit und langfristige Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Der Druck aufgrund der Markteinführungszeiten ist in den letzten Jahren überdies massiv angestiegen, sowohl wegen des Wettbewerbsdrucks als auch aufgrund der Notwendigkeit schnellerer Umsatzrendite. Deshalb stehen Stromversorgungsentwickler unter dem Druck, die leistungswandelnden Schaltungen und deren fehlerfreie Funktionsweise innerhalb von Wochen, wenn nicht gar Tagen sicherstellen zu müssen.

Bild 3: Der LTM4627 (15 mm × 15 mm × 4,92 mm) im Vergleich zum neueren und kleineren Äquivalent LTM4638 (6,25 mm × 6,25 mm × 5,02 mm) ADI

µModule müssen eine sehr hohe Qualität und langfristige Zuverlässigkeit aufweisen, um eine lange Betriebszeit in der Endanwendung sicherzustellen. Dementsprechend hat ADI strenge Qualitäts- und Zuverlässigkeitstests für das µModul LTM4600 eingeführt, um die langfristige Betriebssicherheit auch in rauen Umgebungen zu gewährleisten. Das Endergebnis der Testreihen ist eine FIT-Rate von < 0,4. Dies entspricht 0,4 Bausteinausfällen pro einer Milliarde Betriebsstunden – und das für eine komplette Stromversorgung.

Weiterentwicklung der Gehäuse

Zwei Gründe waren ausschlaggebend für den Umstieg von VLSI-Gehäusen auf BGA-Gehäuse (Bild 1). Zunächst ist BGA für Anwender günstig, die die hohe Volumenfertigung von LGAs nicht gewohnt sind. Außerdem war es einfacher, Lotbälle auf die runden Anschlussflächen zu bringen. Darüber hinaus können sowohl bleihaltige und bleifreie Lotbälle zum Einsatz kommen. Diese Wahl des BGA-Gehäuses wurde vor allem von Entwicklern im Luft- und Raumfahrtbereich begrüßt.

Das erste von ADI vorgestellte Produkt war der LTM4600, mit Eingangsspannungen von 4,5 bis 20 V, Ausgangsspannungen von 0,6 bis 5,5 V und mit bis zu 10 A kontinuierlichem Ausgangsstrom. Er war in ein 15 mm × 15 mm × 2,82 mm großes, oberflächenmontierbares LGA-Gehäuse integriert und kam vorrangig für die Wandlung von 12 V_IN auf 3,3 V_OUT mit 10 A und einem Wirkungsgrad von 90 Prozent zum Einsatz.

Nichtsdestotrotz war das Verbessern des thermischen Verhaltens des µModule-Reglers eine der Grundvoraussetzungen, um die Ausgangsstromdichte steigern zu können. Das 15 mm × 15 mm große Format sollte allerdings bestehen bleiben. Um dieses signifikante thermische Problem zu lösen, war es nötig, die überschüssige Wärme aus dem Gehäuse abzuführen. Zur Vereinfachung des Vorgangs entschieden die Entwickler ein BT-Laminatsubstrat mit sehr guten thermischen Eigenschaften einzusetzen, das die Ableitung der Wärme über den Boden des µModule-Gehäuses in die Leiterplatte vereinfachte, von wo aus sie dann nach außen geleitet werden konnte.

Obwohl dies Mitte der 2000er Jahre akzeptabel war, dauerte es weitere fünf Jahre eine Technik zu entwickeln, die den Großteil der Wärme nicht mehr über die Leiterplatte abführen musste. Stattdessen sollte es möglich sein, die Wärme über die Oberseite des Gehäuses in die Umgebungsluft abzuführen. Deshalb konzipierten Entwickler einen speziellen Kühlkörper, der innerhalb des Gehäuses gekapselt und mit den Oberseiten der internen MOSFETs und Spulen verbunden war. Dieser Kühlkörper wurde auf die Oberseite des µModule-Reglers herausgeführt. Nun konnten die Anwender ihre eigenen Kühlkörper auf der Oberseite des µModule-Reglers anbringen, um die Wärmeableitung zu verbessern. Bei 200 LFM oder Luftstrom ließ sich so ein besseres Wärmeverhalten erzielen. Unabhängig von dieser Verbesserung kreierten die Verantwortlichen µModule-Regler mit Spulen auf der Oberseite, die dann als Kühlkörper dienten, um das Wärmeverhalten noch weiter zu verbessern.

Bild 4: Der LTM4700 kann bis zu 100 A Ausgangsstrom in einem einzigen Gehäuse liefern. ADI

Bild 2 zeigt drei Wärmebilder unterschiedlicher Typen von µModule-Reglern. Die Wärmeableitung erfolgt über die Oberseite des Bausteins in die Luft, was zusätzliche Kühlmaßnahmen mit einem Luftstrom im System vereinfacht. Außerdem kann ein zusätzlicher Kühlkörper zum Einsatz kommen, der gleichzeitig auch die VLSI-Bausteine entwärmt.

Durch die Verbesserung der thermischen Wärmeleistungscharakteristik konnte ADI die Leistungsdichte der µModule-Regler weiter steigern und sie in immer kleinere Gehäuse integrieren. Bild 3 zeigt einen LTM4627, einen Baustein mit 20-V-Eingang, der bis zu 15 A am Ausgang bei niedriger 0,6 V Spannung und einen nominalen Wirkungsgrad im Bereich von 90 Prozent bei den spezifischen V_IN– und V_OUT-Bedingungen liefert. Daneben gibt es den LTM4638, ebenfalls ein Baustein mit 20-V-Eingang, der einen 15-A-Ausgangsstrom bei nur 0,6 V Ausgangsspannung und einem Wirkungsgrad von nominal 86 Prozent liefern kann. Volumetrisch betrachtet ist der LTM4638 jedoch 5,6 mal kleiner als der LTM4627.

Fortschritte bei den µModule-Reglern

Der LTM4700 ist ein µModule-Baustein, der in der Lage ist, 100 A Ausgangsstrom zu liefern (Bild 4). Er lässt sich aber auch als Zweifach-50-A-Baustein betreiben und kommt nahe an 90 Prozent Wirkungsgrad der Wandlung heran, wenn er von 12 auf 1 V herunter regelt und 100 A Ausgangsstrom bei nur 200 LFM Luftstrom generiert. Außerdem besitzt er einen maximalen DC-Fehler von ± 0,5 Prozent über der Temperatur. Die Maße betragen 15 mm × 22 mm × 7,82 mm.

Zusätzlich dazu, dass er zwei 50-A-Ausgänge oder einen 100-A-Ausgang bereitstellt, verfügt der LTM4700 auch über eine PMBus-I²C-Schnittstelle oder ein Power-System-Management (PSM). Dies erlaubt mehrere unterschiedliche Fähigkeiten, zum Beispiel lassen sich Spannungen konfigurieren, komplexe Ein/Aus-Sequenzanordnungen definieren, Fehlerbedingungen wie OV- und UV-Grenzwerte festlegen und wichtige Stromversorgungsparameter wie Schaltfrequenzen oder Stromgrenzwerte über einen digitalen Kommunikationsbus einstellen.

Es besteht die Möglichkeit, über denselben Kommunikationsbus wichtige Betriebsparameter wie Eingangs- und Ausgangsspannung, Ein- und Ausgangsstrom, Ein- und Ausgangsleistung sowie interne und externe Temperatur zurückzulesen. Anwender können sehr präzise Tests der Marge des geschlossenen Regelkreises implementieren und auch die Stromversorgungsspannungen auf sehr präzise Pegel trimmen. PSM-Bausteine ermöglichen eine höhere Zuverlässigkeit und Qualität. Außerdem behalten eingebaute Regelkreise eine höhere Genauigkeit der Stromversorgung über die Lebenszeit des Produktes bei, was die Zuverlässigkeit erhöht. Die Eigenschaft des Zurücklesens der PSM-Bausteine lässt sich nutzen, um die Testabdeckung im In-Circuit-Test zu erhöhen und möglicherweise fehlerhafte Bausteine auszusortieren – und das bereits vor der Auslieferung.

Bild 5 zeigt ein Wärmebild des LTM4700 im Normalbetrieb. Die Betriebsbedingungen sind 12 V, herunter geregelt auf 1 V, und ein Ausgangsstrom von 100 A mit einem hohen Wandlungswirkungsgrad und nur 200 LFM Luftstrom. Als Ergebnis macht ihn der sehr gute Wirkungsgrad zu einer geeigneten Wahl, um die Kühlmaßnahmen in Datenzentren wesentlich zu reduzieren.

(aok)