Power Modules holen das Mooresche Gesetz ein

Das Mooresche Gesetz, oder besser gesagt seine Prognose, besagte, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem komplexen IC jedes Jahr ungefähr verdoppeln würde. Gordon Moore machte diese Aussage in einer populären Zeitschrift im Jahr 1965 und blickte damals nur zehn Jahre voraus.

Seine Vorhersage lautete, dass sich von etwa 50 Komponenten in einem IC in jenem Jahr bis 1975 65.000 auf einem 6 x 6mm großen Chip Platz finden würden. Seine Vorhersage traf zu, denn der Intel 8086, der 1976 auf den Markt kam, verfügte über 29.000 Transistoren bei einem Prozessmaßstab von 3,2µm. Moore revidierte dann seine Schätzung auf eine Verdoppelung alle zwei Jahre. Heute hat sich der Anstieg der Komplexität zwar verlangsamt, aber TSMC strebt für 2025 einen Maßstab von 2nm an [1], was eine erstaunliche Reduzierung der Chipgröße um den Faktor 1600 bedeutet.

Ab 2022 wird die höchste Transistoranzahl in einem kommerziell erhältlichen Mikroprozessor, und zwar in Apples ARM-basiertem Dual-Die-System M1 Ultra, das in einem 5nm-Prozess hergestellt wird, 114 Milliarden betragen. Dieses 'System on a Chip' besteht aus zwei Chips mit einer Fläche von jeweils 420mm². Prozessinnovationen wie 3D-Transistoren und 'Die-Stacking' haben dafür gesorgt, dass sich die Rechenleistung pro mm2 Grundfläche auf einem ähnlichen exponentiellen Kurs befindet.

Im Prinzip haben sich die in PoL-Wandlern verwendeten Umwandlungstopologien über mehrere Jahrzehnte hinweg kaum verändert. Es werden Buck-, Boost- und Buck-Boost-Schaltungen verwendet, die nach wie vor einen Halbleiterschalter, eine Diode oder einen Synchronwandler, eine Induktivität und einen Kondensator mit Pulsbreiten- oder Frequenzmodulation zur Regelung einsetzen. Die Schalter wurden so weiterentwickelt, dass sie geringere statische und dynamische Verluste aufweisen und mit höheren Frequenzen arbeiten. Auch die Materialien der Induktionskerne und Kondensatoren wurden schrittweise verbessert, um die Verluste zu verringern. Infolgedessen hat sich der Wirkungsgrad erhöht, was wiederum eine bessere Leistungsdichte ermöglicht hat - PoL-Wandler konnten sich bei gleicher Last und Temperaturerhöhung verkleinern. Der Nutzen ist jedoch nicht dem Mooreschen Gesetz gefolgt, und Leistungswandler machen nach wie vor einen großen Teil der genutzten Platinenfläche aus.

Ein Teil des Problems mit der Größe des PoL-Wandlers besteht darin, dass traditionell diskrete Komponenten auf einem Substrat mit geringer Integration verwendet wurden. Dies ergibt sich aus der einfachen Tatsache, dass es sich um Leistungswandler handelt, die unweigerlich Wärme abführen, so dass große Komponenten erforderlich waren, um den Temperaturanstieg gering zu halten. Außerdem ist es schwierig, die Spule und ihren Kern nicht nur als sperriges, diskretes Bauteil herzustellen, und die Ferritkerntechnologie hat sich über die Jahrzehnte nur in kleinen Schritten verbessert. Das bedeutet, dass eine minimale Anzahl von Spulenwindungen erforderlich ist, die zudem dick genug sein müssen, um den höheren Strömen ohne Überhitzung standzuhalten. Dies führt zu einem sperrigen Bauteil. Die Anzahl der erforderlichen Windungen nimmt zwar mit steigender Schaltfrequenz bei gleicher Kernflussdichte und Ausgangsrestwelligkeit ab, aber dann steigen die Schaltverluste des Kerns und des PoL-Wandlers, so dass ohnehin ein größerer PoL erforderlich ist, um die Wärme abzuführen. All dies bedeutet, dass die Verkleinerung von PoL-Wandlern im Gegensatz zu Prozessoren direkt zu thermischen Problemen führt und die Gesamtgewinne begrenzt.

Point-of-Load-Wandlermodule haben keine Standardeingangsbereiche, und die benötigten Ausgänge können von etwa 0,5V bis 3,3V oder möglicherweise bis 5V für ältere Designs reichen. Auch die Stromstärken können von unter einem Ampere bis zu mehreren zehn Ampere variieren.

Der Eingang eines Leistungsmoduls kann von einem regulierten Bus mit 12V, 5V, 3,3V oder manchmal einem Zwischenwert wie 9V stammen. Bei batteriebetriebenen Geräten kann der Eingang von einer Lithium-Ionen-Zelle mit ca. 3,7V kommen, die aber beim Laden über 4V und bei starker Entladung 3V oder weniger betragen kann. Ebenso kann der Eingang von einer ungeregelten Quelle stammen und in einem Bereich von 2:1 oder mehr schwanken.

Um eine breite Palette von Anwendungen abzudecken, bietet RECOM jetzt Bauteile der RP- und RB-Serien mit Eingängen von bis zu 0,85V für einen Aufwärtswandler und bis zu 65V für einen Abwärtswandler an. Alle Bauteile haben einstellbare Ausgänge und decken Anwendungen ab, die Ausgänge von 0,6V bis 35V benötigen. Die Nennströme liegen zwischen 0,5A und 15A. Abbildung 5 gibt einen Überblick über die verfügbaren Abwärtswandler-Kombinationen.


Abbildung 6 zeigt ebenfalls die Palette der von RECOM erhältlichen Boost-Power-Module mit einer Nennleistung von bis zu 10A. Bei den RBB5-1.5 und RBB10 handelt es sich um Buck-Boost-Module, bei denen der Ausgang höher oder niedriger als der Eingang sein kann, was nützlich ist, um eine regulierte Leistung von einer Batteriequelle aufrechtzuerhalten, während diese sich entlädt.

Die bis zu 1,5A angebotenen Aufwärtswandler sind mit einem Überspannungsschutz am Ausgang ausgestattet und verfügen alle über eine echte Lasttrennungsfunktion, wenn sie deaktiviert sind. Dies ist notwendig, da normalerweise ein direkter Gleichstrompfad durch einen Aufwärtswandler verläuft, wenn er nicht schaltet. Alle Abwärts- und Aufwärtswandler verfügen außerdem über einen Übertemperatur- und Ausgangsüberstromschutz.

Haben die Leistungsmodule also mit dem Mooreschen Gesetz Schritt gehalten? Nehmen wir ein paar Beispiele und vergleichen PoL-Wandler mit 24V Eingang und 3,3V Ausgang bei 4A. Vor nur vier Jahren, im Jahr 2018, wurde ein Bauteil als "führend in der Weiterentwicklung der Stromumwandlung" beworben. Es hatte eine Grundfläche von 33mm x 13,6mm, war 8,8mm hoch und hatte ein Volumen von 3950mm³. Heute hat der RECOM RPX-4.0 eine Grundfläche von 5mm x 5,5mm, ist 4,1mm hoch und hat ein Volumen von 113mm3, mit einer 35-fachen Steigerung der Leistungsdichte. Interessanterweise ist der Wirkungsgrad der beiden Bauteile in etwa gleich, wobei die Verbesserung auf eine höhere Schaltfrequenz mit kleineren Komponenten und 3D Power Packaging^®-Techniken zurückzuführen ist.

Ein anderes Beispiel wäre die Umwandlung von 5V in 1,8V bei 2A. Ältere Bauteile mit Durchgangsbohrungen haben immer noch eine Grundfläche von 14mm x 7,5mm und eine Höhe von 10,1mm. Vergleichen Sie dies mit dem RECOM RPZ-2.0 mit 3mm x 3mm und 1,1mm Höhe und einer Steigerung der Leistungsdichte um den beeindruckenden Faktor 107 (Abbildung 7). Der Platzbedarf hat sich um fast den Faktor 12 verringert, das RECOM-Bauteil nimmt nur eine Seite der Hauptplatine ein und die Unannehmlichkeiten einer möglichen manuellen Platzierung und des Lötens von Durchgangslöchern werden vermieden.

Bei älteren PoL-Wandlern mit Open-Frame-DIP-Technologie war es für die Benutzer oft offensichtlich, dass die gleichen Komponenten auf ihrem Motherboard eingebaut werden konnten, was den Wert eines zugekauften Moduls fraglich machte. Selbst platzsparende SIP-Teile konnten vom Benutzer leicht nachgebaut werden, um Kosten zu sparen, indem er dieselben Komponententypen und Montagetechniken verwendete, die er bereits auf seinen Hauptplatinen einsetzte. Power Modules, die 3D Power Packaging Technologie verwenden, können jedoch nicht wirtschaftlich in der Motherboard-Fertigungstechnologie repliziert werden, und die Module können jetzt als Komponenten wie Widerstände oder Kondensatoren betrachtet werden, die ein Benutzer niemals selbst herstellen würde. Die Größe der Power Modules ermöglicht es jetzt, dass sie problemlos um oder unter anderen Komponenten angebracht werden können, und die hochautomatisierten Fertigungstechniken, die jetzt eingesetzt werden, senken die Kosten und erhöhen die Zuverlässigkeit.

Power Modules bieten heute eine Leistungsdichte, die weit über das hinausgeht, was mit diskreten Lösungen möglich ist. Die Zuwächse der letzten Jahre haben, mit denen der IC-Transistordichte konkurriert, entsprechend dem Mooreschen Gesetz. Mit der Automatisierung der Fertigung werden die Kosten immer wettbewerbsfähiger, und wenn man die Kosten für Einkauf, Lagerung, Platzierung und Test berücksichtigt, ist eine Modullösung einfach die beste. Das erweiterte Angebot von RECOM deckt alle gängigen Leistungs- und Spannungspegel ab, die in Anwendungen von Handheld-Geräten bis hin zu Server- und Telekommunikationsplatinen vorkommen.

[1] https://pr.tsmc.com/english/news/2939
[2] https://recom-power.com