Um besser zu verstehen, wie 3DPP und andere fortschrittliche Verpackungstechniken die kontinuierliche Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern vorantreiben, ist es ratsam, sich mit den verschiedenen Packaging-Praktiken und den Fortschritten in der Komponententechnologie etwas näher zu beschäftigen.
Die Kombination von zuvor getrennten Komponenten in einer einzigen Baugruppe ist kein neues Konzept, aber die Methoden haben sich in den letzten Jahrzehnten stark weiterentwickelt. Bei
Stromversorgungslösungen bezog sich ein integriertes Modul in der Regel auf eine klassische, diskrete Implementierung mit dicht gepackten Komponenten auf einem dünnen Stück FR-4 (auch bekannt als PCB), das dann mit einer Art Kunststoff- oder Metallkappe abgedeckt wurde. Die Abdeckungen dienten hauptsächlich der Ästhetik, um den Eindruck zu erwecken, es handele sich um eine einzelne, IC-ähnliche Baugruppe, obwohl die Metallkappe auch einen praktischen Zweck erfüllen konnte, nämlich elektromagnetische Interferenzen (EMI) und/oder thermische Abschirmung.
Dann kam ein Vorstoß zur tatsächlichen Prozessintegration all dieser disaggregierten Komponenten in das, was heute als „heterogene Integration“ bekannt ist. Eine Definition der heterogenen Integration aus der Heterogeneous Integration Roadmap (HIR) des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Electronics Packaging Society (EPS) lautet:
„Heterogene Integration bezieht sich auf die Integration separat hergestellter Komponenten in eine übergeordnete Baugruppe, die in ihrer Gesamtheit eine erweiterte Funktionalität und verbesserte Betriebseigenschaften bietet.” [4]
HIR war das Ergebnis zahlreicher Interessengruppen, Branchenführer und der Ergebnisse von Workshops und Konferenzen, die den Stand der Technik (state-of-the-art, SOTA) in diesem Bereich beschrieben. Ein umfassender Überblick über diese Bemühungen würde zwar den Rahmen dieses
Blogartikels sprengen, aber eine Handvoll wichtiger Faktoren, die speziell für Wandler/Lösungen relevant sind, soll hier erwähnt werden. Erinnern Sie sich an die zu Beginn dieser Diskussion erwähnten Bestrebungen zur Optimierung der SWaP-Faktoren. Während der Wunsch nach einer Verringerung von Größe und Gewicht greifbarer sein mag, sind das Streben nach einer höheren Leistungsdichte und die Strategien zur Erreichung dieses Ziels weniger offensichtlich.
Bei den meisten Schaltnetzteiltopologien (d.h. solchen, die sorgfältig gesteuerte Schalter verwenden, um die Stromumwandlung von einer Spannung in eine andere zu modulieren) hängt die Größe der Leistungskennzahl (figure of merit, FOM) mit der Schaltfrequenz der Stromversorgung zusammen. Um eine Reihe von Gleichungen zu vermeiden, die die mathematischen Beziehungen zwischen dem Design des Wandlers bzw. der Berechnung der Komponenten und der Schaltfrequenz darstellen, wozu eine einfache Google-Suche eine Fülle von Informationen liefert, sollten Sie hier einige Faustregeln beachten. Die Schaltfrequenz ist umgekehrt proportional zur Größe der
Energiespeicher- und Filterkomponenten (d.h. Transformatoren, Induktivitäten, Ringkernspulen, Drosseln, Bulk-/Elektrolytkappen, Sicherheitskappen usw.), die oft die Gesamtgröße/das Gewicht des Netzteils dominieren (und sogar einen Hauptanteil an der Größe/dem Gewicht des gesamten Systems haben).
Parasitäre Effekte der Induktivität durch längere Verbindungsleitungen und schnelle Stromübergänge [v(t)=L*di/dt], die durch höhere Schaltfrequenzen induziert werden, können katastrophale Spannungsspitzen (auch bekannt als Transienten) für das Steuerungssystem und/oder die Stromversorgungsanlage eines Konverters verursachen. Parasitäre Kapazitätseffekte aufgrund der natürlichen Trennung von Leitern in einem System und schnelle Spannungsübergänge [i(t)=C*dV/dt], die durch höhere Schaltfrequenzen induziert werden, können katastrophale Energiespeicher und zirkulierende Ströme verursachen, die in vielerlei Hinsicht unangenehm auffallen können.
Die zunehmende Verwendung von Leistungshalbleitern mit wide bandgap (WBG) (z.B.
Galliumnitrid oder GaN,
Siliziumkarbid oder SiC usw.) in der Leistungselektronik bietet das Beste und das Schlechteste aus beiden Welten. WBG-Bauteile können die Schaltfrequenz deutlich erhöhen und gleichzeitig die thermischen FOMs verbessern (was die Zuverlässigkeit und die Leistungsdichte erhöht), haben aber auch eine steile Lernkurve, die die verbesserten Leistungsdichte-FOMs ergänzt. Auch wenn es den Rahmen dieses Blogs sprengen würde, sei darauf hingewiesen, dass schon allein die
Gate-Treiberschaltungen für WBG-Bauteile aufgrund der höheren Schaltgeschwindigkeiten und Transienten, die von den Designregeln für herkömmliche Silizium-Leistungshalbleiter abweichen, weitaus komplexer sein können [5].
Einen hervorragenden Überblick und Verweis auf solche Herausforderungen finden Sie in unserem
Whitepaper "DC/DC-Wandler für GaN-Gate-Treiber". Obwohl dies sicherlich ein tiefergehendes Thema für eine spätere Diskussion ist, sollte darauf hingewiesen werden, dass Fortschritte bei Hochfrequenz-Magnetwerkstoffen ein entscheidender Faktor für WBG-basierte Lösungen sind und in den letzten zehn Jahren aufgrund einer Forschungslücke in diesem Bereich besondere Aufmerksamkeit erhalten haben.
Jetzt, da wir die Notwendigkeit einer Verringerung der Gehäusegröße, der Package-bedingten Parasiten und der Unterstützung der SOTA in Halbleitern besser verstehen, kann sich der Fokus auf andere Komponenten verlagern, die für die heterogene Integration in
3DPP®-Produkte von Nutzen sein können und diese ermöglichen. Eine Verkleinerung der gesamten Stromversorgungslösung bedeutet auch eine Verkleinerung der anderen aktiven (d.h. ICs, Schalter) und passiven Bauelemente (d.h. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden) und eine Annäherung an diese, indem sie in eine heterogene Anordnung eingebettet werden.
Irgendwann werden sogar die internen Gehäuseverbindungen (d.h. Pins, Bumps, Pads usw.) untragbar und führen zu unerwünschten Parasiten. Es gibt zahlreiche Technologien, die die Einbettung von passiven und aktiven Bauteilen ermöglichen. Ohne hier in die Tiefe gehen zu wollen, sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von planaren Magneten eine enorme Erleichterung darstellt. Dies bezieht sich auf den Übergang von einem traditionellen Magneten, bei dem die Verdrahtung physisch um einen sperrigen Magnetkern gewickelt ist, zur Verwendung von Leiterbahnen, die um das magnetische Kernmaterial herumgeführt werden, um eine viel sauberere, eng kontrollierte und dennoch wiederholbare und robuste magnetische Komponente zu erhalten. [6]
