Entwurf von Stromversorgungen mit SiP-Power-Modulen

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Kleinere Designs, mehr Komfort und höhere Flexibilität

Moderne Power-Module sind deutlich kompakter als diskrete Stromversorgungs-Lösungen, die mit PWM-Controllern bestückt sind oder gar auf Schaltreglern mit integrierten FETs basieren. Im Laufe der Jahre haben sich Stromversorgungs-Schaltungen von einfachen Leistungsreglern mit ausschließlich externen Bauelementen (Bild 3 links) stetig weiterentwickelt.

Es folgten Leistungswandler in Form von ICs, die mit einer externen Spule und einer geringeren Zahl externer Bauelemente kombiniert werden mussten (Bild 3 Mitte).

Bildergalerie

Bild 1: Die Strukturen synchroner und nicht-synchroner Stromversorgungen im Vergleich. In der Diode der nicht-synchronen Wandler fällt wegen ihrer Vorwärtsspannung sehr viel Wärme an, sodass diese Schaltungen nicht besonders effizient sind.(Bild: Maxim)

Bild 2: Vergleich der Verlustleistung von synchronen und nicht-synchronen Gleichrichterlösungen. Die synchrone Lösung verringert die Verluste in der Gleichrichterdiode um 60%.(Bild: Maxim)

Bild 3: Beginnend mit einem einfachen Leistungsregler, führte die fortschreitende Entwicklung zu den heutigen Power Modulen der Himalaya-Reihe; (v.l.n.r) synchroner Buck-Schaltregler MAX15046, synchroner Buck-Schaltregler MAX17503 und Power-Modul MAXM17503.(Bild: Maxim)

Bild 4: Vergleich der Anschlussanordnung bei einem Maxim-Modul in QFN-Bauweise (rechts) und einem älteren Grid-Array-Layout (links).(Bild: Maxim)

Bildergalerie mit 6 Bildern

Inzwischen aber gibt es die kompakten Power-Module (Bild 3 rechts). Die Himalaya-Power-Module etwa, wie zum Beispiel der MAXM17503, sie kommen mit vier bis fünf externen Komponenten aus: einem Eingangs-Kondensator, einem Ausgangs-Kondensator, zwei Widerständen zum Einstellen der Ausgangsspannung sowie möglicherweise einem Kondensator für die Softstart-Funktion.

Bild 3 veranschaulicht diese immer weiter fortschreitende Integration der Stromversorgungs-Lösungen zusammen mit dem jeweiligen Platzbedarf.

Eine neue Layout-Konfiguration rückt die Pins mit einer QFN-ähnlichen Anordnung an den Rand des Gehäuses, wodurch das Leiterplatten-Layout einfacher und kostengünstiger wird. Die Platzierung wichtiger Signal-Pins am äußeren Rand des Gehäuses ermöglicht den Verzicht auf mehrlagige Leiterplatten, die mithilfe von Vias die in der Gehäusemitte liegenden Anschlüsse herausführen.

Beispiele für solche Gehäuse sind die Module mit Ball- oder Grid-Array-Gehäuse (Bild 4). Wenn die Anschlüsse am Gehäuseumriss angeordnet sind, bleibt in der Mitte außerdem Platz für Metall-Pads, die mithelfen, die Abwärme aus dem Modul heraus zu transportieren und damit die Erwärmung des Systems weiter zu reduzieren. Mehrere separate Pads bieten dabei zusätzlichen Schutz, indem sie empfindliche Bereiche des Moduls voneinander isolieren.

Die Gehäusehöhe von nur 2,8 mm erlaubt die Verwendung des Moduls auf Mezzanine Cards, bei denen es auf eine geringe Bauhöhe ankommt. Die flache Bauweise erleichtert nicht zuletzt die Integration von Kühlkörpern. Diese sind besonders in Hochleistungs-Anwendungen von Bedeutung, in denen es viel Wärme abzutransportieren gilt (Bild 5).

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Synchronen Buck-Reglern der Himalaya-IC-Reihe von Maxim

Link: Die Himalaya-Power-Module von Maxim

Link: Beitrag im Original erschienen in: ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung (kostenlose ePaper-Version)

Link: Heftausgabe als pdf

(ID:43883734)

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Stand: 08.12.2025

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