Kompakte, kühle und störungsarme Power-Module im QFN-Gehäuse

Bild 1: Typisches Power-Modul mit gehäustem Halbleiterbaustein und Induktivität, nebeneinander angeordnet auf einem standardmäßigen Kupfer-Leadframe. Texas Instruments

Ein DC/DC-Power-Modul sollte im Idealfall klein sein sowie effizient, kühl und störungsarm arbeiten. Klein, damit in der Applikation mehr Leiterplattenfläche für andere Elektronik bleibt. Effizient, damit die Leistungswandlung weniger Verlustwärme im Gesamtsystem erzeugt und damit sich möglicherweise der zulässige Umgebungstemperaturbereich erweitern lässt. Störungsarm sollte es schließlich sein, um den Betrieb anderer Schaltungen nicht zu beeinflussen und die EMI-Regelwerke leichter einzuhalten.

Das bei Gleichspannungswandlern konstant herrschende Streben nach einer ausgewogenen Kombination aus Platzbedarf, Effizienz, Wärmeentwicklung und Störungsaufkommen ist besonders bei Power-Modulen festzustellen. Welche Kombination hier letztendlich möglich ist, kann zu großen Teilen davon abhängen, welche Gehäusetechnologie bei der Konstruktion des Moduls zugrunde gelegt wird. Die als Enhanced-Hotrod bezeichnete QFN-Gehäusetechnologie (Quad Flat no-Lead) von Texas Instruments bietet eine Lösung für mehrere Design-Herausforderungen und versetzt die Hersteller von Leistungswandlern und Power-Modulen in die Lage, die bisher von der Industrie erzielten Werte in Sachen Gehäusemaße, Effizienz, Wärmeableitfähigkeit und Rauscheigenschaften zu steigern.

Was bei den Abmessungen eines Power-Modules zu beachten ist

Wie in Bild 1 zu sehen ist, kann ein typisches DC/DC-Power-Modul einen Leistungswandler-IC, eine oder mehrere Leistungsspulen, einige Bypass-Kondensatoren und zur Feature-Programmierung dienende Widerstände in einem Gehäuse vereinen. Die Gesamtgröße oder das Volumen des Power-Moduls hängt in hohem Maße von der Schaltfrequenz des Wandlers und den Abmessungen der induktiven Bauelemente ab. Betreiben Entwickler den Leistungswandler mit höherer Frequenz, können sie die Leistungsspule kleiner wählen, was sie jedoch mit Abstrichen beim Umwandlungs-Wirkungsgrad und der Wärmeentwicklung erkaufen müssen. Die Gesamtfläche des Moduls wird außerdem von der Gehäusekonstruktion bestimmt. Gehäuse, bei denen sich die Leistungsinduktivität über den internen Bauteilen des Moduls anordnen lassen, kommen mit weniger Fläche aus, jedoch nimmt hier die Bauhöhe zwangsläufig zu (Bild 2).

Bild 2: In diesem Power-Modul befindet sich die Induktivität über den anderen internen Bauelementen des Moduls. Texas Instruments

Im Fall des Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuses beherbergt das Power-Modul ungehäuste Halbleiterbauelemente, sodass mehr Platz zum Integrieren der Induktivität und anderer passiver Bauelemente bleibt. Die Verbindung zwischen Chip und Leadframe erfolgt anstelle von Bonddrähten mit Kupferstiften direkt unter dem Chip, was die parasitären Induktivitäten des Gehäuses verringert und für eine Platzersparnis im Modul sorgt (Bild 3).

Die Montage ungehäuster Halbleiter mit Kupferstiften auf einem herkömmlichen Kupfer-Leadframe ist durchaus keine neue Modultechnologie. Im Fall des Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuses aber ermöglicht der Leadframe einen anwenderfreundlichen Footprint, verbunden mit einem optimierten Routing zwischen den internen Bauelementen des Moduls und einer optimierten wärmeleitenden Verbindung. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass die Induktivität oberhalb der übrigen Bauelemente positioniert ist, sodass sich Fläche in x- und y-Richtung sparen lässt. Als Resultat ist eine kompakte Modulstruktur mit integrierten Hochfrequenz-Bypasskondensatoren möglich (Bild 4).

Leistungsfähige ICs steigern die Effizienz

Bild 3: Innenleben eines Enhanced HotRod QFN-Moduls mit Hochleistungs-IC-Chip. Die Bypass-Kondensatoren und die Induktivität sind über den anderen Bauelementen angeordnet. Texas Instruments

Bild 4: Beispiel eines Power-Moduls im Enhanced HotRod QFN-Gehäuse. Texas Instruments

Die Effizienz, also der Wirkungsgrad ist eine wichtige Spezifikation für Leistungswandler. Umwandlungsverluste treten vornehmlich im Wandler-IC und in der Leistungsinduktivität auf. Diese Verluste lassen sich in zwei Arten – Schalt- und Leitungsverluste – unterteilen und sind vom IC-Prozess und von den Spezifikationen der Induktivität abhängig. Tatsächlich sind nicht alle Leistungswandler-ICs gleich. Steht ein Halbleiterprozess mit einer besseren Figure of Merit zur Verfügung, kann dies dem IC zu einer besseren Ausgewogenheit zwischen Schalt- und Leitungsverlusten verhelfen.

Entwickler können sich ebenfalls dafür entscheiden, den Wandler zur Minimierung der Schaltverluste mit geringerer Schaltfrequenz arbeiten zu lassen. Dies setzt allerdings eine Leistungsspule mit höherem Induktivitätswert voraus, was bei gleichem Nennstrom eine höhere Windungszahl und größere Abmessungen zur Folge hat. Die Herausforderung besteht darin, einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen als mit Wandlern der vorigen Generation, dabei aber die Gesamtabmessungen zu verkleinern und akzeptable thermische Eigenschaften zu bewahren.

Bild 5: Verlustleistung eines 6,25 mm x 6,25 mm messenden BGA-Gehäuses (Ball Grid Array) mit nebeneinander angeordneten Induktivitäten im Vergleich mit einem 5 mm x 5,5 mm großen Enhanced HotRod QFN-Gehäuse, bei dem die Induktivität über den anderen Bauelementen angeordnet ist. Texas Instruments

Ein geeigneter erster Schritt zum Erreichen eines guten Wirkungsgrads ist es, einen sehr leistungsfähigen IC zu wählen. Der in einem Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuse enthaltene IC wird mithilfe von Kupferstiften mit dem Leadframe verbunden, was die parasitären Induktivitäten verringert. Die Verwendung von Hochfrequenz-Bypasskondensatoren resultiert zusammen mit der direkten Verbindung zwischen Kupfer und Chip in deutlich geringeren Oszillationen am Schaltknoten und niedrigeren Schaltverlusten. Die Möglichkeit, die Induktivität oberhalb der übrigen Bauelemente zu platzieren, stellt außerdem zusätzliche Fläche für die Induktivität zur Verfügung, ohne dass Abstriche an der gesamten Gehäusefläche in x- und y-Richtung gemacht notwendig sind. Da sich die Induktivität stark auf die Gesamteffizienz auswirkt, bietet dieses zweilagige Gehäusekonzept die Möglichkeit zur Integration einer großen Spule mit geringeren Verlusten (Bild 5).

QFN-Gehäuse erleichtert das Wärmemanagement

Die thermische Auslegung ist ein unumgänglicher Aspekt beim Design von Leistungswandlern. Einen Wirkungsgrad von 100 Prozent erreicht kein Wandler, und die unweigerlich entstehenden Umwandlungsverluste fallen in Form von Wärme ab.

Die im Wandler entstehende Wärme muss so an die Umgebung abgeführt werden, dass der Leistungswandler seinen sicheren Arbeitsbereich (Safe Operating Area, SOA) nicht verlässt und die Temperatur des Gesamtsystems auf einem für die jeweilige Applikation hinnehmbaren Niveau bleibt. Bestenfalls sollte das Modulgehäuse einen so niedrigen Wärmewiderstand aufweisen, sodass sich die erzeugte Wärme an die Leiterplatte und die umgebende Luft ableiten lässt. Nicht zuletzt sollte die Anschlussbelegung des Gehäuses so gestaltet sein, dass ein thermisch sinnvolles Layout ohne Unterbrechungen in den Wärmeableitwegen möglich ist.

Bild 6: Vergleich der thermischen Kontaktfläche zwischen einem 5 mm x 5,5 mm großen Enhanced HotRod QFN-Gehäuse und einem BGA-Gehäuse mit Maßen von 6,25 mm x 6,25 mm. Texas Instruments

Da alle wichtigen Bauelemente, in denen Verlustleistung abfällt, gemeinsam in einem Modul untergebracht sind, wird das Wärmemanagement erschwert. Dies führt wiederum zu einem Engpass für die Fähigkeit des Moduls, die angestrebte Ausgangsleistung zu erreichen. Das Enhanced-Hotrod QFN-Gehäuse ermöglicht das Design eines Footprints, der eine maximale Kontaktfläche zur Leiterplatte ergibt, was den Wärmeübergang erleichtert. Es kann die so entstehende Wärme deshalb an die Umgebung des Moduls abgeben, bevor der Wandler aus seinem SOA herausgerät. Verglichen mit einem ähnlich großen Modulgehäuse im BGA-Format, kann das Modul im Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuse eine deutlich größere Kontaktfläche zur Leiterplatte aufweisen (Bild 6). Dies lässt sich nutzen, um entweder den Umgebungstemperaturbereich zu vergrößern oder für einen gleichgroßen Wandler die Ausgangsleistung anzuheben. Der Footprint des Gehäuses ermöglicht auch eine durchgehende, ununterbrochene Kupferfläche unterhalb des Moduls (Bild 7), sodass der Wärmeableitweg frei von Schnitten und Unterbrechungen ist. Außerdem maximiert dies die Kupferfläche auf dem Board, die sich zur Wärmeableitung nutzen lässt.

Störaufkommen

Schaltvorgänge, steile Stromspitzen mit hohen di/dt-Werten sowie gehäuse- und layoutbedingte parasitäre Elemente führen dazu, dass geschaltete Leistungswandler starke Störgrößen erzeugen können, die möglicherweise den ordnungsgemäßen Betrieb anderer störempfindlicher Schaltungen in der Umgebung des Leistungswandlers beeinträchtigen. Aus diesem Grund gibt es anwendungsabhängige Störgrenzwerte in Form von EMI-Normen, die jedes Produkt einzuhalten hat.

Bild 7: Einfaches Layout dank durchgehender Kupferschicht für ein thermisch günstiges Design. Texas Instruments

Die erzeugten Störgrößen können bei verschiedenen Wandlern sehr unterschiedlich sein, aber selbst bei ein und demselben Wandler kann das Störungsaufkommen abhängig vom Leiterplatten-Layout und den verwendeten Bauelementen stark variieren. Die Störaussendungen sind bei höheren Schaltfrequenzen typisch stärker (da die steigenden und fallenden Schaltflanken wahrscheinlich steiler sind) und hängen in hohem Maße von den parasitären Elementen in den Schleifen mit steilen Stromflanken ab.

Neben der Gehäusekonstruktion beeinflussen auch das interne Routing, die verwendeten internen Bauteile und schließlich auch das Leiterplatten-Layout die parasitären Elemente des Gehäuses. Das Wandlergehäuse sollte so konzipiert sein, dass die internen parasitären Elemente in den kritischen Schleifen mit hohen di/dt-Werten möglichst gering ausfallen und die Anschlussanordnung für eine korrekte Platzierung der Bypass-Kondensatoren optimiert ist. Einige Gehäuse können sogar die Integration von Hochfrequenz-Bypasskondensatoren und deren Platzierung in größtmöglicher Nähe zum IC ermöglichen.

Ein wichtiger erster Schritt zum Abmildern der Störaussendungen ist es, im Schaltregler die Fläche der Stromschleife(n) mit hohen di/dt-Werten zu minimieren (Bild 8). Dank der Integration von ungehäusten Halbleitern und Keramik-Kondensatoren sowie der Anwendung verbesserter Routing-Entwurfsregeln minimiert das Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuse die Schleifen mit hohen di/dt-Werten im Wandlerdesign. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion gegenüber Gehäusen mit herkömmlichem Kupfer-Leadframe ist die Möglichkeit, unmittelbar unter dem IC und den Bypass-Kondensatoren eine Massefläche anzuordnen, was in weniger Schaltstörungen, reduzierten Störungen am Ausgang und besseren EMI-Eigenschaften resultiert.

Zusammenfassung

Bild 8: Die Fläche der Schleife mit hohen di/dt-Werten lässt sich minimieren, indem man einen Hochfrequenz-Bypasskondensator möglichst nah am Chip platziert. Texas Instruments

Das richtige Austarieren zwischen Wirkungsgrad, Größe, thermischen Eigenschaften und EMI-Verhalten hält beim Design von Leistungswandlern zahlreiche Herausforderungen bereit. Mit dem Enhanced-Hotrod-QFN-Gehäuse erhalten die Hersteller von Power-Modulen die Chance, diese Herausforderungen zu überwinden und kleinere, effizientere, weniger Wärme entwickelnde Leistungswandler-Module mit geringerem Störungsaufkommen zu produzieren. Das Resultat sind optimierte Leistungswandler wie der TPSM53604, mit denen sich das Design von Gleichspannungswandlern erheblich vereinfacht.

(prm)