Integration von Induktivitäten ins Gehäuse Branchenweit kleinste 6-A-Leistungsmodule

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Die Leistungsmodule mit MagPack-Technik sind 50 Prozent kleiner und verdoppeln die Leistungsdichte bei guter thermischer Leistungsfähigkeit. Die Leistungsmodule verringern im Vergleich zu Vorgängertypen die elektromagnetische Störabstrahlung um 8 dB und verbessern gleichzeitig den Wirkungsgrad um bis zu 2 Prozent.

Texas Instruments hat sechs neue Leistungsmodule vorgestellt, die sowohl die Leistungsdichte sowie den Wirkungsgrad erhöhen als auch die elektromagnetischen Störabstrahlungen (EMV) verringern. Die Leistungsmodule nutzen die proprietäre MagPack-Technik (integrierte magnetische Gehäusetechnik), bei der induktive Bauelemente im Gehäuse integriert werden, wodurch ihre Größe im Vergleich zu konkurrierenden Modulen um bis zu 23 % reduziert wird.

Drei der sechs Bausteine – die Typen TPSM82866A, TPSM82866C und TPSM82816 – sind laut Hersteller die branchenweit kleinsten 6-A-Leistungsmodule. Sie weisen eine Leistungsdichte von fast 1 A/mm² auf.

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Die Leistungsdichte wird als Ausgangsstrom pro Flächeneinheit angegeben. Mit 2,3 mm mal 3 mm haben das TPSM82866A und das TPSM82866C eine Fläche von 6,9 mm². Dies führt zu einer Leistungsdichte pro Fläche von 0,87 A/mm². Nahezu 1 A pro 1 mm² Fläche ist außergewöhnlich, insbesondere wenn man bedenkt, dass ein 1608-Bauteil eine Leiterplattenfläche von 1,28 mm² belegt. Das Standard-Leiterplattendesign des Evaluierungsmoduls (EVM) mit einfachen Designregeln und großen passiven Komponenten ergibt eine Gesamtgröße von 28 mm² für eine komplette 6-A-Stromversorgung.

Das Modul TPSM82816 bietet Funktionen wie einstellbaren Softstart, einstellbare Schaltfrequenz, Taktsynchronisation und einstellbare Regelkreiskompensation in einem etwas größeren Gehäuse von 2,5 mm x 3 mm. Die zusätzlichen Funktionen erfordern zusätzliche Pins und passive Komponenten, wodurch sich die Gesamtgröße der Lösung auf 46 mm² erhöht. Dies ist immer noch sehr klein für ein 6-A-Netzteil und bietet eine Leistungsdichte von 0,8 A/mm².

Neben der Verkleinerung des Gehäuses und höherer Leistungsdichte ist es wichtig, die Wärme aus dem kleineren Gehäuse effektiv abzuführen. Die in der MagPack- Technik verwendete Induktivität ist auf den Siliziumchip abgestimmt, um sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstromverluste zu reduzieren. Die Kombination dieser beiden Schaltungselemente mit dem hochleitfähigen MagPack-Gehäuse trägt dazu bei, die Wärme effizient aus dem Leistungsmodul abzuführen.

Der Halbleiterchip verfügt nun über eine optimierte Induktivität und ein optimiertes Gehäuse, das einen hohen Wirkungsgrad und einen geringen Temperaturanstieg gewährleistet. Bild 1 zeigt den Wirkungsgrad des TPSM82866A, während Bild 2 den sicheren Betriebsbereich (SOA) zeigt.

Die Module reduzieren die Störstrahlung (EMV), da sie vollständig geschirmt sind. Der gesamte Chip, die Induktivität, der Schaltknoten ist in einem geschirmten Gehäuse untergebracht. Darüber hinaus ermöglicht die optimierte Leiterbahnführung innerhalb des Gehäuses kürzere, kleinere Leiterbahnen für rauschbehaftete Signale, sowohl im Leistungsmodul als auch im System. In Bild 3 und 4 werden die Strahlungsemissionen des TPSM82866A ohne und mit MagPack-Technik verglichen. Die Spitzenemissionen sind in der horizontalen Anordnung um etwa 2 dB und in der vertikalen um 8 dB reduziert.

„Entwickler nutzen Leistungsmodule, um Zeit und Bauraum einzusparen sowie die Komplexität und die Anzahl der Bauelemente zu verringern, aber diese Vorteile erforderten bisher einen Kompromiss in punkto Performance“, erklärt Jeff Morroni, Director of Power Management Research and Development in den Kilby Labs von TI.

„Nach fast einem Jahrzehnt Entwicklungszeit versetzt ‚Integrated Magnetic Packaging‘ die Entwickler von Leistungsschaltungen in die Lage, den entscheidenden Trend im Power-Bereich aufzunehmen, der unsere Branche geprägt hat: mehr Leistung auf kleinerem Raum – und das auf effiziente und kostengünstige Weise.

Mehr Leistung bei weniger Platzbedarf

Bei der Entwicklung von Leistungselektronik kommt es auf die Größe an. Leistungsmodule vereinfachen das Design von Power-Schaltungen und sparen wertvollen Platz auf der Leiterplatte, indem sie einen Leistungschip mit einem Transformator oder einer Induktivität in einem Gehäuse kombinieren. Durch den Einsatz des exklusiven 3D-Gehäuse-Vergussverfahrens maximiert die MagPack-Gehäusetechnik die Höhe, Breite und Tiefe der Leistungsmodule.

Magnetic Packaging nutzt eine integrierte Leistungsinduktivität mit proprietärem, neu entwickeltem Material. Dadurch können Ingenieure jetzt die beste Leistungsdichte ihrer Klasse erreichen und die Temperatur sowie die Störabstrahlungen verringern, während gleichzeitig sowohl der Platzbedarf auf der Leiterplatte als auch die Leistungsverluste des Systems minimiert werden.

Diese Vorteile sind vor allem in Anwendungen wie Rechenzentren wichtig, wo die elektrische Energie der größte Kostenfaktor ist. Einige Analysten prognostizieren, dass sich der Bedarf an elektrischer Energie bis zum Ende dieses Jahrzehnts verdoppeln wird.

Vorserienstückzahlen und Eva-Module sind verfügbar.(kr)

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