Methoden zum Wärmemanagement von Wireless-Power-Empfängern

Da mobile Geräte heute immer mehr Strom aufnehmen, sehen sich die Entwickler dieser Produkte mit der Forderung konfrontiert, ein ebenso schnelles wie unkompliziertes Aufladen der Akkus zu ermöglichen. Das Wireless Power Consortium (WPC) und der Qi-Standard haben die kontaktlose, induktive Energieübertragung zu einer Realität gemacht. Wichtig ist dabei der eng gesteckte Wärmehaushalt der mobilen Systeme. Dieser setzt nämlich auch den Verlusten, die im Leistungsteil eines Wireless-Power-Empfängers in Form von Wärme entstehen, eine Grenze.

Abhilfe bringt hier, den Ausgangsstrom der Wireless-Power-Module so weit abzusenken, dass sich die Verlustwärme im Rahmen hält. Allerdings bringt dies zwangsläufig eine niedrigere Laderate sowie längere Ladezeiten mit sich. Es gibt verschiedene Techniken der thermischen Optimierung einer Leiterplatte für Qi-konforme Wireless-Power-Empfänger, die in die Klappe des Akkufachs eingebaut sind. Die Beschreibung der Design-Richtlinien und -Kompromisse hat das Ziel, die thermischen Rahmenbedingungen so zu verbessern, dass sich maximale Laderaten erzielen lassen.

Kennzahlen der thermischen Performance

Dieser Beitrag kennzeichnet drei Arten von Kennzahlen, die für die thermische Leistungsfähigkeit sorgen: Unter der thermischen Performance des Leistungs-ICs versteht sich die bei einer bestimmten Ausgangsleistung am IC-Gehäuse gemessene Temperaturzunahme gegenüber der Umgebungstemperatur. Die thermische Performance der Leiterplatte ist die an einem Punkt auf der Platine gemessene Temperaturzunahme gegenüber der Umgebungstemperatur. Bei der thermischen Performance des Mobilgeräts handelt es sich um den auf die Umgebungstemperatur bezogenen Temperaturanstieg an jenem Punkt, an dem der Benutzer wahrscheinlich mit dem Gerät in Kontakt kommt. Das heißt, an der Außenhülle.

Diese Kennzahlen sind absteigend nach der Höhe der absoluten Temperaturzunahme geordnet. Die erste Kennzahl ist also stets höher als die zweite, und die zweite ist immer höher als die dritte. Daraus folgt, dass zwischen allen Dreien ein Temperaturgradient existiert. Um eine gute thermische Performance zu erzielen, gilt es, die Temperaturgradienten und die Temperaturanstiege zu kontrollieren. Für den Konsumenten steht der dritte Wert an erster Stelle, doch der Designer ist für alle drei Werte verantwortlich.

Thermische Eigenschaften von Systemarchitekturen

Zubehörprodukte für die kontaktlose Energieübertragung müssen hinsichtlich ihrer Architektur so beschaffen sein, dass die Elektronik vom Mobilgerät getrennt ist und sich beispielsweise in der Klappe des Batteriefachs befindet. Diese thermische Entkopplung der Wireless-Power-Platine von der Hauptleiterplatte des Geräts ist wichtig. Sie bedingt aber zwangsläufig eine flächige, nur wenig Höhe zulassende Implementierung, was die thermische Performance unweigerlich beeinträchtigt.

Der Gradient zwischen den Kennzahlen eins und drei ist bei einer Zubehörlösung generell am geringsten; verglichen mit alternativen Architekturen. Die absolute Temperaturzunahme am IC-Gehäuse wirkt sich somit am stärksten auf die vom Anwender wahrgenommene Oberfläche aus. Bei anderen Architekturen, wie kontaktlosen Akkusätzen, ergeben sich ebenfalls thermische Probleme durch die beschränkte Leiterplattengröße, auch wenn das Temperaturgefälle zwischen den Kennzahlen eins und drei hier allgemein größer ist. In thermischer Hinsicht ist der Anstieg der Akkuzellen-Temperatur und nicht die Erwärmung des Punkts, an dem der Anwender mit dem Mobilgerät in Kontakt kommt (Kennzahl 3) sehr wichtig. Die meisten Lade-ICs besitzen jedoch eine Temperaturreglerfunktion auf Basis eines NTC‑ oder PTC-Widerstands, so dass sich dieser Umstand einfach beherrschen lässt.

Als weitere Architektur ist das Einbinden der Wireless-Power-Elektronik in die Hauptplatine des Mobilgeräts eine Option. In thermischer Hinsicht ist diese optimal. Restriktiv wirken sich hier die Akzeptanz auf dem Markt und die Mehrkosten für das Mobilgerät aus. Bevorzugung erfährt deshalb eine Zubehör- oder Modulvariante, damit die Mehrkosten der Konsument trägt, anstatt sich für diejenige Architektur zu entscheiden, die sich wegen ihrer thermischen Performance empfiehlt. Die geschilderten Techniken können alle beschriebenen Architekturen nutzen. Wegen bestehernder Architekturen steht in diesem Beitrag die Zubehörvariante im Vordergrund. Bei der endgültigen Entscheidung muss der Entscheider die verschiedenen thermischen Eigenschaften miteinander vergleichen.

Richtlinien für das Leiterplattendesign

Bild 1: Der Anstieg der Gehäusetemperatur als Funktion der Leiterplattenfläche bei einer bestimmten Verlustleistung.Texas Instruments

Halbleiterbausteine erfahren Weiterentwicklung und ihr Integrationsgrad nimmt zu. Eine komplette Wireless-Power-Variante lässt sich inzwischen auf einer Fläche von nur 75 mm² unterbringen. Dabei dürfen die Entwickler den Zusammenhang zwischen der thermischen Performance und der Leiterplattenfläche jedoch nicht vergessen. Bild 1 illustriert die thermisch modellierte Beziehung zwischen Leiterplattenfläche und IC-Gehäusetemperatur bezogen auf eine bestimmte IC-Verlustleistung.

Wichtig daran sind weniger die absoluten Werte als der Verlauf der Kurve. Das Verkleinern der Leiterplatte zieht eine exponenzielle Zunahme der IC-Gehäusetemperatur (Kennzahl 1) nach sich. Wegen des prinzipbedingten Temperaturgefälles zwischen dem IC-Gehäuse und der Kontaktstelle zum Anwender (Gradient zwischen den Kennzahlen eins und drei) nimmt Kennzahl drei proportional mit der von Kennzahl eins ausgewiesenen Performance zu. Die Quintessenz hieraus lautet: Die thermische Performance einer Wireless-Power-Variante wird zunächst durch die Größe der Leiterplatte diktiert. Abgesehen von den Abmessungen lässt sich die thermische Performance der Leiterplatte (Kennzahl zwei) auch durch die folgenden Parameter beim Platinendesign beeinflussen:

• Stärke der Kupferkaschierung
• Zahl der Leiterplattenlagen
• Größe der Massefläche und Zahl der Vias (vertical interconnect access, Durchkontaktierung)

Bild 2: Vergleich der thermischen Performance einer zweilagigen und einer vierlagigen Leiterplatte bei einheitlicher Verlustleistung.Texas Instruments

Die Leiterplatte lässt sich wie ein Kühlkörper betrachten: Die Wärmeleitfähigkeit und die Fläche, auf der sich die Wärme verteilt, haben direkten Einfluss auf die Performance. Vergrößern sich die Werte der Designparameter eins und zwei, bewirkt das bei unveränderter Leiterplattenfläche eine unmittelbare Verbesserung der thermischen Performance (Bild 2).

In diesem Beispiel wird ein einheitliches Routing-Design mit einer 2-oz-Kupferkaschierung einmal für eine zweilagige und einmal für eine vierlagige Leiterplatte verwendet, wobei es sich bei den beiden zusätzlichen Lagen um Masseflächen handelt. Die IC-Gehäusetemperatur ist bei der vierlagigen Variante – bei gleicher Verlustleistung – um 12 °C geringer. Deutlich zu erkennen sind die besseren thermischen Eigenschaften der Platine am Temperaturgefälle zwischen dem IC-Gehäuse und dem Rand der Leiterplatte, also dem Gradienten zwischen den Kennzahlen zwei und drei. Der Gradient beträgt bei der vierlagigen Platine 8 und bei der zweilagigen Platine 20 °C. Die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte verbessert sich erheblich durch die zwei zusätzlichen Kupferlagen und die 2-oz-starke Kaschierung.

Um den Effekt zu nutzen, sollte der Entwickler das Anbringen von Vias zwischen den Masseflächen erwägen. Sinnvoll ist dies vorzugsweise nahe den Versorgungsspannungs- und Masse-Pins des ICs sowie im Bereich großer Kupferflächen. Speziell eine große Zahl Vias nahe den Masse-Pins des ICs verbessert den Wärmetransfer vom IC an die Massefläche. Die IC-Gehäusetemperatur sollte sich dadurch um 2 bis 3 °C senken lassen.

Vom IC-Gehäuse und der Thermik

Heute haben Anbieter für Wireless-Power-ICs in erster Linie zwei Gehäuse im Portfolio, nämlich das Wafer-Chip-Scale-Package (WCSP) und das Quad-Flat-No-Lead-Package (QFN). Während das WCSP-Gehäuse einen kleinen Footprint besitzt, überzeugt das QFN-Gehäuse durch seine thermische Performance.

Zunächst aber zu den Grundlagen beider Gehäuse; aufgrund ihrer Strukturen haben sie eine unterschiedliche thermische Performance. Das WCSP-Gehäuse basiert auf dem Flip-Chip-Prinzip. Hierbei liegt der Chip kopfüber auf der Leiterplatte und wird in dieser Position – das heißt, mit dem Siliziumsubstrat nach oben – montiert. Die elektrischen Verbindungen zwischen Platine und Bauelement schafft der Hersteller mithilfe kleiner Lothöcker direkt zu den Pads auf der Leiterplatte, was eine kompakte Variante ergibt.

Die QFN-Gehäusebefestigung erfolgt dagegen mithilfe einer Leadframe-Struktur an der Leiterplatte, während die Verbindungen zwischen den herausgeführten Pins und dem eigentlichen Chip mittels interner Bonddrähte entsteht. Diese kurze Beschreibung verdeutlicht, weshalb das WCSP-Gehäuse weniger Leiterplattenfläche benötigt. Nicht so trivial sind dagegen die Unterschiede der thermischen Performance trotz identischer Chips. Die Erklärung erschließt sich, wenn die bereits angesprochenen Prinzipien Anwendung finden (zum Beispiel das Maximieren der Wärmeausbreitungsfläche).

Das QFN-Gehäuse besitzt eine als Power-Pad bezeichnete wärmeleitende Fläche, über die sich das IC-Substrat mit der Massefläche verbinden lässt. Das Chipsubstrat wird mit einem als ‚Die-Attach‘ bezeichneten Materials auf dem Power-Pad befestigt. Das Die-Attach-Material kann zusätzlich wärmeleitend ausgeführt sein, um den Wärmeübergang zwischen beiden Flächen zu erleichtern. Diese Kombination sorgt dafür, dass die Wärme über eine große Querschnittsfläche von der Wärmequelle an die Massefläche abfließen kann. Anders ist es beim WCSP-Gehäuse: Da das Substrat hier wegen der Flip-Chip-Technik von der Leiterplatte abgewandt ist, ist keine effektive Wärmeausbreitung wie mit dem Power-Pad des QFN-Gehäuses möglich. Für die optimale Nutzung des Power-Pads, sollte man mehrere Masse-Vias direkt unterhalb des Power-Pad-Footprints anordnen.

Bild 3: Der Anstieg der IC-Gehäusetemperatur, abhängig von der Ausgangsleistung für die Gehäusebauarten WCSP und QFN.Texas Instruments

Um diese Erkenntnis experimentell zu untermauern, entwickelte Texas Instruments zwei größere Evaluation-Module (EVMs), eines mit einem WCSP-Gehäuse und eines mit einem QFN-Gehäuse. Bild 1 zeigt die größere Leiterplattenfläche eine Sättigung der IC-Gehäusetemperatur. Diese nutzten die Entwickler, um die Leiterplattengröße als Variable experimentell zu isolieren. Auch weitere Parameter des Leiterplattendesigns, wie die Anzahl der Lagen oder die Stärke der Kupferkaschierung, hielten die Entwickler bei beiden Evaluation-Modulen konstant, damit die Änderungen der thermischen Performance ausschließlich aus dem Gehäuse resultieren.

Flacher Kühlkörper sehr effektiv

In einem Wireless-Power-Modul findet sich in der Regel eine Leiterplatte gemeinsam mit der Empfängerspule in einem flächigen Einbauraum. Die Leiterplatte kann sich deshalb nicht bis hinter die Spulenbaugruppe erstrecken, weil die Gesamtanordnung so zu dick wäre. Dadurch geht wertvolle Wärmeausbreitungsfläche verloren.

Bild 4: Die Wirkung eines dünnen Kühlkörpers zwischen der Leiterplatte und der Empfängerspule.Texas Instruments

Als Kompromiss bietet es sich an, einen flachen Kühlkörper – beispielsweise eine Folie von 0,1 mm Stärke) so hinter der Leiterplatte zu platzieren, dass sie sich bis hinter die Spulenabschirmung erstreckt. Die Versuchsergebnisse mit einer solchen Konfiguration zeigt Bild 4. Mit einem Aluminium-Kühlkörper verringert sich die IC-Gehäusetemperatur (Kennwert eins) um 16 °C. Der metallische Kühlkörper sollte nicht über das Abschirmmaterial hinausreichen, damit während der drahtlosen Energieübertragung kein magnetischer Fluss durch Kopplung mit dem ferromagnetischen Material entsteht. Die dadurch induzierten Wirbelströme haben eine übermäßige kontraproduktive Erwärmung zur Folge. Durch einen wärmeleitenden Kleber zwischen Leiterplatte und Kühlkörper entsteht ein optimaler thermischer Kontakt zur Wärmequelle.

Drei gegen die Wärme

Die beschriebenen Techniken, um die Erwärmung auf der Leiterplatte für einen Qi-konformen Wireless-Power-Empfänger zu begrenzen, kommen möglicherweise nicht für jedes Design in Frage, doch die dargestellten Prinzipien sind in jedem Fall zu beachten. Zum Beispiel mag es attraktiv erscheinen, eine Leiterplatte möglichst klein zu halten, damit sie in den beengten Einbauraum passt. Damit verschlechtern sich die thermischen Eigenschaften exponenziell. Ist die Enscheidung über die Größe der Leiterplatten gefällt, muss der Entwickler außerdem weitere Parameter wie die Stärke der Kupferkaschierung und die Verwendung mehrerer Masselagen bedenken, um einen Kompromiss zwischen Kosten und Performance zu finden. Möglicherweise ist ein dünner metallischer Kühlkörper der beste Mittelweg zwischen geringem Temperaturanstieg und kleinen Abmessungen. Unter dem Strich lässt sich damit eine Wireless-Power-Lösung realisieren, die in ihrer Laderate an die Leistungsfähigkeit kabelgebundener Modelle heranreicht oder diese sogar übertrifft.

(rao)