Fortschrittliches Thermal-Design für hocheffiziente Stromversorgungsmodule

Bild 1: Programmierbare Power-Module XRP9710 / XRP9711 erreichen im 12 × 12 × 2,8 mm3 LGA-Gehäuse eine hohe Packungsdichte. Exar

Integrierte Stromversorgungsmodule (Power Module) sind in heutigen Systemen unentbehrlich. Ihr Formfaktor und ihre Leistungsfähigkeit werden durch Designs vorgegeben, die beispielsweise auf Linecards, PCI-Karten, Blade-Server oder unter CPU-Kühlkörper passen müssen. Die Liste der Anforderungen reicht daher von äußerst kompakten Abmessungen über einen hohen Wirkungsgrad, einstellbare Regelungsfunktionen, Überwachung und Anpassung der Spannungsbereiche während des Betriebs bis hin zu Soft-Start / -Abschaltung, Auswahl der Modulationsart PFM (Pulsfrequenzmodulation) oder PWM (Pulsweitenmodulation) und einem einfachen Design-in.

Für diesen Anforderungsumfang bietet Exar die Leistungswandlermodule XRP9710 und XRP9711 an. Die 12 × 12 × 2,8 mm³ großen Module enthalten zwei vollintegrierte 6-A-Synchron-Abwärtsregler plus integrierte duale Schaltregler für zwei externe Versorgungsschienen (beim XRP9711). Die Komplexität und Dichte des Designs ist in Bild 1 ersichtlich.

Die interne Konfiguration ist für den Nutzer weitgehend unsichtbar. Vorteile sind das vereinfachte Design-in und die Anwenderfreundlichkeit. Bild 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel, in dem ein XRP9711-Modul vier Synchron-Abwärtsregler unterstützt. Zwei davon sind in das Modul integriert, während die anderen beiden über den gleichen Controller geregelt werden, deren Leistungsendstufen aber extern angeschlossen sind.

Bild 2: Vereinfachter Schaltplan mit dem Exar XRP9711, das zwei 6A-Ausgänge und Reglung für zwei externe Leistungsstufen bereitstellt. Exar

Anforderungen an das Gehäuse

Die Wahl des richtigen Gehäuses, welches sowohl den Controller als auch die Leistungsendstufe  aufnimmt und dabei über große Anschlussflächen ausreichend Strom und Wärme übertragen kann, ist die größte Herausforderung bei der Modulkonstruktion. Das Entwicklerteam untersuchte dabei die genauen Spezifikationen möglicher Gehäusevarianten, einschließlich QFN (Quad-Flat No-Leads)  und LGA (Land Grid Array). Die Auswertung ergab, dass sich ein LGA-Gehäuse am besten eignet. Nach der Wahl des Gehäuses wurden mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse für elektromagnetische Strukturen der Verbindungswiderstand, die Kapazität und die Induktivitäten simuliert.

Das LGA-Gehäuse nimmt alle Komponenten eines komplexen 2-Kanal-Synchron-Abwärtsreglers auf und sorgt für eine gute Wärmeverteilung von den Wärmequellen (MOSFETs, Induktivitäten, Bypass- und Boot-Strap-Kondensatoren und dem Steuerungs-IC). Das Thermal Layout muss auch die genauen elektrischen Anforderungen einhalten, um alle parasitären Induktivitäten und Kapazitäten zu minimieren. Nur so lässt sich der gewünschte Wirkungsgrad erzielen.

Bild 3: Mithilfe der thermischen Simulation auf Basis einer Extreme-Value-Analyse (EVA) konnten die Bauteilverluste (und somit die Wärmeabgabe) im Worst-Case-Fall berechnet werden. Exar

Effiziente Wärmeableitung

Die Pads auf der Gehäuseunterseite sorgen sowohl für die elektrische Verbindung als auch für eine hocheffiziente Wärmeableitung. Diese Kombination vereinfacht das Leiterplatten-Layout und mildert Hotspots, indem gezielte Wärmeableitung und gute Layout-Techniken zum Einsatz kommen. Findet die Simulation bereits sehr früh in der Entwicklungsphase statt, erhält das Designteam Einblick in die X-Y-Verteilung der Isothermen-Linien. Damit lässt sich die Platzierung der Komponenten auf dem Leiterrahmen (Leadframe) genau abstimmen. Bild 3 zeigt die thermische Simulation mittels einer Extreme-Value-Analyse (EVA), über die sich alle Komponentenverluste (und somit die Wärmeabgabe) auf einer JEDEC-konformen Leiterplatte im Worst-Case-Fall berechnen lassen. Das Infrarot-Kamerabild des Modul-Evaluierungsboards (Bild 4)  zeigt das Modul im Volllastbetrieb bei der Wandlung von 12 auf 5 V.

Bild 4: Ein Infrarot-Kamerabild des Evaluierungsboards im Volllastbetrieb bei 12- auf 5V-Wandlung zeigt, dass die Wärmeverteilung nahezu der Simulation entspricht. Die maximal festgestellte Temperatur beträgt 118 °C. Exar

Die tatsächlichen Testergebnisse bestätigen die Effizienz des Designs, der Simulation und der Umsetzung. Bei einer Abwärtswandlung von 12 V auf 5 V erzielt das Modul einen dauerhaften Wirkungsgrad von ≥ 90 % im höheren Strombereich von 2,2 bis 6 A und einen Wirkungsgrad von ≥ 85 % im unteren Strombereich von 0,25 bis 2,2 A (Bild 5). Die maximale Modultemperatur hängt letztlich von den Leistungsverlusten und der verfügbaren Leiterplatten-Kupferfläche ab, die als Kühlkörper wirkt und dazu beiträgt, die Wärme abzustrahlen. Damit verringert sich die Maximaltemperatur. De-Rating-Kennlinien stehen zur Verfügung und helfen Entwickler bei der Detailplanung der Anwendung.

Layout mit viel Kupferfläche zur Kühlung

Ein effektiver und zuverlässiger Einsatz hocheffizienter Stromversorgungsmodule erfordert ein umfassendes Verständnis von Leiterplatten-Layout-Techniken in Bezug auf die jeweilige Anwendung. Layout-Richtlinien und Anwendungshinweise auf Exars Webseite helfen dabei.

Die elektrischen Verbindungen wichtiger Schaltungsbereiche wie stromtragende Leistungspfade, aber auch die Masseführung müssen kleinstmögliche parasitäre Induktivitäten und Widerstände aufweisen. Die Priorität liegt dabei auf höchstmöglicher Wärmeableitung für diese Layoutbereiche, wofür sich mehrlagige Leiterplatten mit ausreichend dicker Kupferauflage gut eignen. Eine sechslagige Leiterplatte mit 17,5 µm Kupferschichtdicke für die äußeren Lagen und 70 µm für die dazwischen liegenden Masse- und Versorgungslagen brachte hierbei beste Ergebnisse hervor. Eine Faustregel besagt, dass jeder Quadratzoll (6,45 cm²) Kupferfläche auf den beiden Außenlagen einen Wärmewiderstand zur Luftumgebung R_thJ/A von 30° C/W repräsentiert. Eine ausreichende Oberfläche für das Kupfer ist erforderlich, um die Spezifikationen für den Temperaturbereich der Anwendung zu erfüllen.

Bild 6: Viel Kupfer auf der Leiterplattenober- und -unterseite ist entscheidend für eine effektive Wärmeableitung. Exar

Bild 6 zeigt Ober- und Unterseite des Layouts eines Evaluierungsboards mit großen Kupferflächen für die Wärmeableitung vom Stromversorgungsmodul.

Durch ihren neuen Aufbau, die Analyse und ihre Ausführung bieten Exars Power-Management-Module XRP9710 / XRP9711 im 12 × 12 mm² LGA-Gehäuse die branchenweit höchste Leistungsdichte ihrer Klasse – und das bei einem sehr guten Wärmewiderstand des Gehäuses – sowohl zwischen Chip und Gehäuse (R_thJ/C, junction / case) als auch zwischen  Gehäuse und Umgebung (R_thJ/A, junction / ambient). Aufgrund ihrer optimierten Komponenten, die mit den entsprechenden Design-Sicherheitskriterien ausgewählt wurden, bieten sie eine hohe Zuverlässigkeit.

Ausstattung der Wandlermodule

Die Module verfügen über komplett unabhängige 2-/4-Kanal-Multiausgangs-DPWM-Controller, einen vielseitigen LDO mit 5 V / 50 mA (für System-Housekeeping-Funktionen), eine I²C-Schnittstelle und fünf GPIO-Ports für Statusmeldungen und Fernsteuerung über Host-Controller oder CPU. Hinzu kommt eine Spannungsverfolgung der verschiedenen Kanäle mit Differenzspannungsmessung, wenn eine hohe Genauigkeit des Ausgangsspannungs-Sollwerts, unabhängig von jeglichen Leiterplatten-Parasitäten, erforderlich ist.

Mit der I²C-Schnittstelle und den GPIO-Ports kann der Systemprozessor des Endprodukts so konfiguriert werden, dass der Betriebsverlauf protokolliert und analysiert wird, was eine Diagnose ermöglicht. Auf Wunsch kann die Stromversorgung abgeklemmt werden, um andere Systemeinstellungen vornehmen zu können.

Zu den programmierbaren Parametern der Power-Module zählen der Ausgangsspannungs-Sollwert, die Kompensation der Rückkopplungsschleife, der Frequenzsollwert und die Abschaltung bei Unterspannung. Die Eingangs- und Ausgangsspannungen, Ausgangsströme und die Chip-Temperatur zählen zu den Betriebsparametern, die dem Systemprozessor zur Verfügung stehen.

Die zugehörige Power-Architect-Design-Software (GUI) dient zur Konfiguration und Überwachung der Wandlermodule. Somit lässt sich die gleiche Hardware durch einfaches Umkonfigurieren in mehreren Anwendungen einsetzen. Das spart Zeit und senkt Risiken bei Beschaffung, Auswahl und Test von Leistungsbauteilen, sowie bei Modifikationen von Layout und Design etwa zur Verbesserung des Wirkungsgrades, der EMV oder des Wärmemanagements. Weniger Bauteilvarianten verringern den Beschaffungsaufwand und die Lagerhaltung. Insgesamt verkürzt sich die Entwicklungsdauer, der F&E-Aufwand wird kleiner und die Markteinführung findet schneller statt, während die wettbewerbsfähige Positionierung des Endprodukts garantiert ist.

(jwa)