Gerade die Wärmeentwicklung sowie die Kühlung/Entwärmung sollten Entwickler früh berücksichtigen, da eine nachträgliche Anpassung aufwendig sein kann. (Bild: stone36 @ Adobe Stock)
Aktuelle Elektronik bietet immer mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum. Allerdings steigt auch der Stromverbrauch. Um diesem Trend gerecht zu werden, müssen DC/DC-Wandler, die Spannungsschienen bereitstellen, mehr Leistung in kleineren Gehäusen liefern, also eine höhere Leistungsdichte aufweisen. Auch wenn aktuelle Wandler einen sehr hohen Wirkungsgrad bieten, müssen Systeme immer noch erhebliche Wärme abführen, um kritische Bauelemente unter ihren maximal erlaubten Temperaturwerten zu halten. Beim üblichen Einsatz von Brick-Wandlern ist es ganz normal, dass das Bauteil ohne angekoppelten Kühlkörper und ohne Lüfter stark von der Umgebungstemperatur vor Ort abhängt und oft erst ab etwa 20 °C die volle Leistungsfähigkeit liefert – eine unrealistische Temperatur in einem Gehäuse, das kW-Lasten handhaben muss, wie z.B. in Server-Racks. Um einen Betrieb in Umgebungen bei 50 °C oder mehr sicherzustellen, muss eine Lüfter- oder Konduktionskühlung zum Einsatz kommen. Dabei werden die thermische Charakterisierung des Wandlers, die Auswirkung des Luftstroms und die anderen Wärmepfade in die Umgebung zu wichtigen Überlegungen.
Leistungsabfall richtig einschätzen – mit Simulationen und Derating-Kurven
Zu den zahlreichen Anforderungen die heutzutage an viele Anwendungen gestellt werden, zählt die Miniaturisierung. Allerdings bringt das ein Problem mit der Kühlung bzw. der Erwärmung mit sich. Viele Bauteile verändern ihre Eigenschaften bei hohen bzw. niedrigen Temperaturen. Allerdings müssen Entwickler diese Veränderungen in ihren Designs berücksichtigen. Außerdem müssen sie auch Variablen wie etwa Luftstrom oder Leiterplatte einbeziehen. Mit Derating-Kurven und Simulationen können Entwickler verschiedene Variablen untersuchen und ein passendes Bauteil finden.
Annahmen bezüglich der DC/DC-Umgebung
Betrachtet man die Wirksamkeit des Luftstroms und anderer Wärmepfade rund um einen DC/DC-Wandler, spielen viele Variablen eine Rolle:
- Umgebungstemperatur
- Geschwindigkeit des Luftstroms
- Richtung des Luftstroms
- Ausrichtung des Wandlers
- Größe der Leiterplatte (PCB)
- Anzahl und Dicke der PCB-Lagen
- PCB-Layout
- Verlustleistung anderer Bauelemente auf der Leiterplatte
- Abschattung des Luftstroms durch andere Bauelemente
- Turbulenz des Luftstroms
Hersteller von Leistungswandlern können die meisten dieser Effekte in einem Endsystem nicht vorhersagen, sodass sie bei der Charakterisierung ihrer Produkte nur Annahmen mit einem definierten Testaufbau treffen können, wie er in Bild 1 von Flex Power Modules verwendet wird. Damit lassen sich Derating-Kurven wie in Bild 2 erzeugen, die für den PKU4213D, einen isolierten Wandler mit 12-V-15/17-A-Ausgang und 36–75-V-Eingang aufgeführt sind.
Die Testanordnung ist als reproduzierbarer repräsentativer Fall gedacht, der eine Testplatine mit einer bestimmten Fläche, Anzahl und Dicke von Kupferlagen verwendet – abhängig von der Leistungsstufe des zu bewertenden Wandlers. Das gezeigte gegenüberliegende Board dient dazu, eine reale Rack-Umgebung besser darzustellen. Dies beeinflusst die Richtung des Luftstroms und die Turbulenzen in der Nähe des Wandlermoduls. Um schnelle Ergebnisse zu erzielen, werden Messungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt, meist einige Grad über der Raumtemperatur. Dann werden die Hot-Spot-Temperaturen bestimmter kritischer Bauelemente im Wandler zusammen mit einem definierten Luftstrom in der Nähe der Testplatine überwacht. Bei ausgesuchten Werten für Luftstrom, Nenneingangsspannung und Laststrom wird die Differenz zwischen Hot-Spot- und lokaler Umgebungstemperatur gemessen, um einen Temperaturanstieg zu erhalten. Dieser wird extrapoliert, um eine maximale Umgebungstemperatur zu erhalten, bevor die Temperaturen der kritischen Bauelemente überschritten werden, was schließlich zu den Derating-Kurven führt.
Luftstrom-Derating hinterlässt einige Unbekannte
Die beschriebene Anordnung und Messung ermöglicht einen gewissen Vergleich zwischen alternativen DC/DC-Wandlern. Sie unterscheidet sich jedoch immer von der Umgebung des Endkunden, sodass dies nur der Ausgangspunkt für die Bewertung von DC/DC-Wandlern sein kann. Wird diese Leistungsfähigkeit aus den Grenzwerten für den Temperaturanstieg extrapoliert, ist davon auszugehen, dass der Wirkungsgrad bei höheren Umgebungstemperaturen gleichbleibt. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die Spannungsabfälle in Halbleiterschaltern variieren, der Leiterwiderstand ansteigt und die Magnetkernverluste zunehmen, was insgesamt zu einem verringerten Wirkungsgrad führt. Die zusätzlichen Verluste tragen selbst zu höheren Temperaturen bei, sodass der Effekt kumulativ ist. Bei einigen Bauteilen wie MOSFETs nehmen der Durchlasswiderstand und die Leitungsverluste mit der Temperatur stark zu, während dies bei Dioden weniger der Fall ist. Der thermische Fußabdruck oder Gradient variiert über den DC/DC-Komponenten damit nicht linear mit der Temperatur.
Bei höherem Laststrom verschlechtert sich nicht nur der Wirkungsgrad aufgrund von Bauteil- und Kupferverlusten, auch die Wärmewiderstände können sich ändern. Ein wichtiger Wärmepfad verläuft durch die DC/DC-Modulpins zur Leiterplatte, insbesondere bei Open-Frame-Ausführungen. Hohe Lastströme durch den Widerstand dieser Pins machen diese zu Wärmegeneratoren, was den Wärmewiderstand gegenüber dem Wärmefluss vom DC/DC-Wandler in die Leiterplatte effektiv erhöht. Auch die Leiterplatte des Endnutzers erfährt den höheren Strom und gibt mehr Wärme ab, was die lokale Temperatur und den Wärmewiderstand vom DC/DC-Modul in die weitere Umgebung erhöht. Daher kann ein einzelner Wert für den Wärmewiderstand eines einzelnen Bauelements nur ein Näherungswert sein.
Eine weitere Variable ist, ob der DC/DC-Wandler mit einer Grundplatte (Baseplate) ausgestattet ist. Bei forcierter Luftkühlung besteht häufig die Möglichkeit, einen Open-Frame-Wandler oder einen Wandler mit Grundplatte zu verwenden. Auch wenn es keine Leitungskühlung gibt, hat die Grundplatte eine wärmeverteilende Wirkung und bietet eine flache Oberfläche, von der sich Wärme ableiten lässt, so dass ihre Wirkung von Vorteil ist. Flex Power Modules hat gezeigt, dass die Hotspot-Temperaturen ihres Wandlers PKU4213D bei hoher Last und Lüfterdrehzahl um bis zu 15 °C sinken, wenn die Grundplatte angebracht ist – im Vergleich zu einem Wandler ohne Grundplatte (Bild 3).
Trotzdem können Datenblätter von DC/DC-Modulen Wärmewiderstandswerte und Verlustleistungskurven enthalten, die zur Abschätzung von Temperaturanstiegen und als Grundlage für Wärmemodelle auf Systemebene verwendet werden können. Editierbare thermische Modelle für die neuesten Produkte von Flex Power Modules sind ebenfalls verfügbar und mit der Software Simcenter Flotherm™ von Siemens kompatibel. Darüber hinaus stellt die kostenlose Software „Flex Power Designer“ auch Verlustleistungsdaten für ausgewählte Module unter verschiedenen Ein-/Ausgangsspannungen, Ausgangsströmen und Temperaturbedingungen bereit.
Ein alternativer Ansatz eliminiert Unbekannte
Flex Power Modules bietet einen alternativen Ansatz für die Angabe, welche Leistung ein DC/DC-Wandler zur Verfügung stellt. Dazu werden Daten angegeben, die sich enger an den Grenzen des Moduls selbst orientieren. In der Praxis ist die maximal verfügbare Leistung durch Angabe der maximalen Pin- und Grundplatten-Temperaturen bekannt – und zwar anhand der von Flex Power Modules gesammelten Daten über die die internen Wärmewiderstände des Wandlers und durch physikalische Messungen. Dies erübrigt Annahmen über den Leiterplattenaufbau, den Wärmewiderstand und die Luftstromeigenschaften in der Nutzeranwendung. Schwankungen der Verluste bei hohen Temperaturen werden automatisch berücksichtigt, da die angegebene maximal verfügbare Leistung berechnet wird, indem die Hotspots der kritischen Komponenten durch Erhöhen der Last auf ihr Maximum gebracht werden. Die Daten lassen sich am besten in einem 3-Achsen-Diagramm darstellen (Bild 4), das die Module BMR491 von Flex Power Modules abdeckt. Der Nutzer kann einfach die Pin- und Grundplatten-Temperatur in der Anwendung messen und erfährt, welche Leistung verfügbar ist. Dies steht im Gegensatz dazu, nur einen Luftstrom gemäß einem Derating-Diagramm bereitzustellen, das entweder übermäßig konservativ oder vielleicht sogar unzureichend ist, um die Sperrschichttemperaturen im DC/DC-Wandler innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Im schlimmsten Fall sind die Temperaturen nicht hoch genug, um den Schutz auszulösen, liegen aber immer noch über den empfohlenen Werten, was zu einer geringeren Zuverlässigkeit und kürzeren Lebensdauer führt.
Eine Kombination von Ansätzen führt zu einem optimierten Ergebnis
Eine umfassende Lösung, um ausreichende Kühlung für ein Brick-DC/DC-Modul bereitzustellen, beginnt mit einer Annäherung aus Luftstrom-Derating-Kurven und thermischer Simulation. Dies lässt sich durch Pin- und Grundplatten-Temperaturmessungen in der Endanwendung ergänzen. In Kombination mit dem von Flex Power Modules bereitgestellten 3-Achsen-Diagramm lässt sich die verfügbare Leistung dann genau bestimmen. Somit lässt sich die maximale Leistungsfähigkeit mit höchster Zuverlässigkeit aus dem DC/DC-Wandler herausholen. (prm)
