Fortschrittliches '3D Power Packaging' ermöglicht Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern

Bei der DC/DC-Wandlung in vielen modernen Produkten dreht sich alles um die Leistungsdichte - die Menge an Leistung, die auf einem gegebenen Raum verarbeitet werden kann, um eine Umwandlung auf Spannungsebene und oft auch eine Isolierung zu erreichen. Dies ist besonders bei hochmodernen Produkten in der IoT-Welt und medizinischen Geräten der Fall. Die Steigerung des Wirkungsgrads von Wandlern hat sicherlich zur Miniaturisierung beigetragen, was es ermöglicht hat, dass sich die Produkte von sperrigen Off-Board-Modulen zu PCB-montierten Komponenten entwickelt haben. Dadurch befinden sich die Wandlung und die Regelung an der idealen Stelle neben der Last, wo sie am genauesten sein müssen.

Die verfügbaren platinenmontierten Produkte sind jedoch hartnäckig in den mechanischen Formaten und Designs geblieben, die im letzten Jahrhundert auf den Markt gebracht wurden. Wandler sind größtenteils „Mini-Endprodukte“ mit einer internen Leiterplatte, einem Gehäuse, Verguss und Pins, wobei die teure Handmontage einiger interner Komponenten, insbesondere der Magnete, immer noch üblich ist. Das fertige Produkt ist oft nur im Durchsteckformat erhältlich, und selbst wenn es SMT ist, kann es strenge Beschränkungen hinsichtlich des zulässigen Reflow-Profils geben, was es schwierig macht, das Bauteil neben anderen weniger empfindlichen Komponenten auf die Hauptplatine des Benutzers zu löten. Infolgedessen entscheiden sich Ingenieure manchmal für diskrete Designs, die einfacher zu handhaben sind, aber mehr Platz auf der Platine benötigen und mit Kosten für Entwicklung, Qualifizierung, Einkauf, Lagerhaltung, Handhabung, Montage und Tests verbunden sind.

Ein Ziel der Hersteller und Anwender von Wandlern ist es deswegen, DC/DC-Wandler im SMT-Format zu realisieren, die genauso klein wie andere moderne Komponenten sind. Sie müssen kostengünstig sein und keine speziellen Kühlkörperanordnungen oder restriktive Reflow-Temperatur und -Dauer erfordern. Wenn dies erreicht wird, käme ein Entwickler genauso wenig auf die Idee, einen diskreten DC/DC-Wandler zu verwenden, wie er einen A-D-Wandler mit diskreten Transistoren implementieren würde.

3D Power Packaging - Denken in einer neuen Dimension

In der Vergangenheit hat ein DC/DC-Konstrukteur vielleicht mit einer Zielfläche und einer etwas kleineren internen Leiterplatte begonnen und diese dann mit so vielen diskreten Komponenten wie möglich gefüllt. Ein neuer Ansatz besteht darin, von Anfang an in drei Dimensionen zu denken, und zwar mit dem, was der Hersteller RECOM '3D Power Packaging' oder '3DPP' nennt.

Das Konzept geht von der Prämisse aus, dass der DC/DC mit Hilfe von Fertigungstechnologien ein Teil herstellen sollte, das sich wie jedes andere handhaben und platzieren lässt. Bei der internen Konstruktion muss die verfügbare Höhe genutzt und unnötiges Material weggelassen werden.

Beispielsweise ist das Leiterplattenmaterial nichts anderes als ein platzraubender Träger für Kupferbahnen - warum nicht einfach selbsttragende Verbindungen innerhalb der Verkapselung haben? Ein SMT-Bauteil verfügt ohnehin über einen Kupfer-Leadframe zur Bildung von Außenanschlüssen, so dass die Bauteile direkt darauf platziert werden können, wodurch eine Leiterplatte überflüssig wird. Ein hervorragendes Beispiel ist der RECOM RPX-1.0, ein Schaltregler, der 1 A Ausgangsspannung, einstellbar von 0,8 bis 30 V, aus einem breiten Eingangsspektrum von 4 bis 36 V liefert. Das Gerät ist nur 3 x 5 x 1,6 mm groß und hat QFN-Anschlüsse. Im Inneren sorgt die Flip-Chip-Technologie mit fortschrittlichen Wärmemanagementtechniken für einen hohen Wirkungsgrad mit MHz-Schaltung und damit für eine erstaunliche potenzielle Leistungsdichte von über 1 kW/cm3. Abbildung 1 zeigt den internen Aufbau.

Bei den DC/DCs von RECOM kommen weitere 3DPP-Techniken zum Einsatz, darunter das Einbetten von Chips in Substrate. Diese Technik schafft Platz für die Anordnung anderer Komponenten und ermöglicht die Verwendung eines IC-Die mit extra metallisierten Re-Distribution Layers (RDL), was zu einem direkten Kontakt mit Kupfer auf den PCB-Lagen für lötfreie Verbindungen führt und die Zuverlässigkeit und thermische Leistung verbessert. Der RECOM RPL-3.0 ist ein Beispiel für diese Technik - ein Schaltregler mit 3 A Ausgang, der nur 3 mm breit und 1,45 mm hoch ist.

Diese Bauweise (Abbildung 2) erfordert kein Umspritzen, da sie von Natur aus robust ist und Kosten und Platz spart, wobei die Oberfläche der Spule den SMT-Aufnahmepunkt bildet. Die thermische Leistung ist ebenfalls hervorragend, da eine direkte Verbindung vom Chip über das Substrat und die Anschlüsse zur Leiterplatte des Anwenders besteht, was durch den hohen Wirkungsgrad des Wandlers von über 95 % unterstützt wird.

Die Miniaturisierung und der automatisierte Aufbau von DC/DCs hat einen weiteren Vorteil: Die thermischen Pfade sind kürzer, was zu einer effektiven Kühlung und niedrigeren Temperaturen führt, wobei die elektrischen Verbindungen ebenfalls kurz sind. Dadurch bleiben die Schaltknoten geschlossen und die Schleifen kompakt, was die EMI reduziert. In Verbindung mit der MHz-Schaltung bedeutet dies, dass die Eingangs- und Ausgangskondensatoren nur einen minimalen Wert haben können, was ebenfalls zur Größenreduzierung beiträgt.

DC/DCs sind jetzt in SOIC-16-Gehäusen erhältlich

Ein weiteres Beispiel für 3DPP hat zu einem isolierten Produkt geführt, das wirklich IC-ähnlich ist. Die neue RECOM RxxCTExxS-Serie hat ein SOIC-16-Gehäuse (breit) mit einer Grundfläche von 10,3 mm x 7,7 mm und einer Höhe von nur 2,65 mm, was ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot ist. Das Produkt (Abbildung 3) verfügt im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen über eine galvanische Isolierung. Die Gullwing-Anschlüsse sind Erweiterungen eines internen Leadframes mit einem Steuer-IC und einem proprietären Planartransformator, die mit diesem drahtgebunden sind.

Es ist seit Langem ein Problem, eine robuste Isolierung in DC/DC-Wandlern zu erreichen, da diese immer kleiner werden. Alle behördlichen Sicherheitszulassungen erfordern außerdem Mindestisolationsniveaus sowie Kriech- und Luftstrecken, sowohl intern als auch extern über die Pins. Der RxxCTExxS beginnt jedoch mit dem Vorteil, dass die Gull Wing-Anordnung mehr als 8 mm nach außen zulässt. Die neue kosteneffiziente RxxCTExxS-Serie umfasst Teile, die eine Isolierung von 3 kVDC/1 Minute mit einer nach IEC/UL/EN 62368-1 behördlich zugelassenen „Basis“-Isolierung erreichen, so dass sie als Teil eines Produktsicherheits-Isolierungssystems verwendet werden können.

Die Konstrukteure des Produkts mussten einen radikal neuen Ansatz für die Produktverpackung wählen, um die Funktionalität und die hohen Isolationswerte zu erreichen. Ein herkömmlicher Ringkerntransformator konnte die Isolationsanforderungen nicht erfüllen, und ein diskreter E-Kern mit Spule oder Ähnlichem wäre zu groß gewesen. Daher wurde die Schaltfrequenz auf bis zu 30 MHz erhöht, was weit weniger Windungen und einen kleinen planaren Transformatorkern ermöglichte, während gleichzeitig eine solide Isolierung zwischen den Wicklungen eingebaut wurde, um die Isolationsanforderungen zu erfüllen.

Es sind zwei kostengünstige Versionen mit einem geregelten 5-V-Ausgang mit 0,5 W oder 1 W und einem 5-V-Eingang erhältlich, die den Markt für DC/DCs zur Bereitstellung von 5-V-Masseisolierung, Spannungsumkehr und isolierter Leistung für Datenschnittstellen ansprechen (Abbildung 4).

Die angesprochenen Märkte sind breit gefächert, einschließlich der IoT, Industrie, Medizintechnik, intelligente Messgeräte; die Nachfrage besteht allgemein dort, wo ein zuverlässiges und robustes Bauteil mit einem breiten Temperaturbereich von -40°C bis 125°C Umgebungstemperatur mit Derating benötigt wird. Trotz ihrer kompakten Größe haben die Bauteile eine niedrige Isolationskapazität von etwa 7pF, was für medizinische Anwendungen und auch für die Versorgung von High-Side-Gate-Antrieben für Wide-Band-Gap-Schalter mit ihren sehr hohen dV/dt-Wellenformen von Vorteil ist. Die EMI-Emissionsleistung ist ebenfalls besonders gut.

Sowohl die 0,5W- als auch die 1W-Versionen haben keine Mindestlastanforderungen für Anwendungen mit Standby-Betrieb bei geringer Last, und im Gegensatz zu vielen anderen Bauteilen ist ein vollständiger Schutz gegen Kurzschluss, Überstrom und Übertemperatur gegeben.

Es sind auch Versionen mit 2 x MOPP medizinischer Isolierung erhältlich

Die besprochenen RxxCTExxS DC/DCs von RECOM sind Teil der „Econoline“-Reihe, deren Leistung und Funktionen auf kostensensitive Anwendungen ausgerichtet sind. Es sind auch Versionen mit höherer Spezifikation erhältlich, die für ein höheres Maß an medizinischer Isolierung verwendet werden können und dabei kostengünstig bleiben. Der R05CT05S befindet sich im gleichen SOIC-16-Gehäuse und ist ein 0,5-W-Bauteil mit 5-V-Nenneingang. Die wählbaren Ausgänge sind 3,3 V oder 5 V, alternativ 3,7 V oder 5,4 V, um Kopfspannungen für Low-Drop-Out-Regler (LDOs) bereitzustellen.

Die wichtigste Spezifikation des Produkts für medizinische Anwendungen ist seine 2 x MOPP/250VAC Dauerleistung gemäß IEC/EN 60601-1 mit 5kVAC Prüfspannung. Darüber hinaus hat es eine Koppelkapazität von nur 3,5pF, was einen vernachlässigbaren Ableitstrom in 250VAC/50 Hz-Anwendungen bedeutet. In nicht-medizinischen Umgebungen sind die Werte sogar noch beeindruckender - verstärkte Isolierung bei 800VAC Arbeitsspannung gemäß IEC/EN/UL 62368-1. Die Betriebstemperatur beträgt bis zu 140° C mit Derating, und das Bauteil verfügt über Enable-, Sync- und Trim-Funktionen sowie eine Unterspannungssperre, Kurzschluss-, Überstrom- und Übertemperaturschutz.

Medizinische Anwendung für den RECOM R05CT05S DC/DC

Es lohnt sich, einen Blick darauf zu werfen, wie DC/DCs wie der R05CT05S in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden und welchen Wert sie haben können. Elektronische Geräte werden zunehmend in verschiedenen medizinischen und häuslichen Pflegeumgebungen eingesetzt, und die Produktentwickler müssen mit den elektrischen Sicherheitsstandards vertraut sein, die eingehalten werden müssen: IEC 60601-1:2005 mit den dazugehörigen Dokumenten und nationalen Varianten, einschließlich der EN 60601-1:2006 in Europa und ANSI/AAMI ES-60601-1 in den USA. Bei diesen Normen geht es um den Schutz vor Stromschlägen durch hohe Spannungen oder vor Ableitströmen aus dem Wechselstromnetz, und man könnte meinen, dass nur AC/DC-Wandler von den Vorschriften betroffen sind. DC/DC-Wandler sind jedoch häufig Teil des Sicherheitstrennsystems und können bei korrekter Spezifikation die Verwendung der hochwertigsten medizinischen AC/DC-Wandler sogar überflüssig machen.

Zunächst sollte die Terminologie und die Anforderungen an die medizinische Sicherheit überprüft werden: In den Normen wird auf „Schutzmaßnahmen“ (MOPs) in der Bediener- und Patientenumgebung verwiesen. Ein MOP kann verschiedene Formen annehmen; ein sicher geerdetes Metallgehäuse mit einer Netzsicherung ist ein MOP. Eine vorgeschriebene Kriech- oder Luftstrecke kann ein oder zwei MOPs betragen, je nach dem tatsächlichen Trennungsabstand. In ähnlicher Weise kann festes Material ein oder zwei MOPs bieten. In allen Fällen hängt der tatsächlich erforderliche Abstand von anderen Faktoren ab: Systemspannung, Überspannungskategorie, Verschmutzungsgrad der Umgebung und Betriebshöhe. Die Anforderungen an den Patientenschutz (MOPPs) sind strenger als die an das Bedienpersonal (MOOPs).

Bei wechselstrombetriebenen Geräten müssen mindestens 2 x MOOPs oder 2 x MOPPs von der Wechselstromleitung zum Ausgang isoliert sein, je nachdem, ob das Gerät in einer „Bediener“- oder „Patienten“-Umgebung eingesetzt werden soll. Ausgänge, die an den Patienten angeschlossen werden, müssen jedoch auch durch mindestens 1 x MOPP von der Erde isoliert sein, um die Möglichkeit auszuschließen, dass der Patient durch andere fehlerhafte Geräte unter Spannung gesetzt wird und dann ein tödlicher Strom durch den Patienten zur Erde des nicht fehlerhaften Geräts fließen kann.

Viele AC/DC-Wandler bieten diesen Grad der Isolierung vom Ausgang zur Erde nicht oder bestenfalls 1 x MOOP. Ein zusätzlicher isolierter DC/DC-Wandler, der die Schaltkreise zum Patientenanschluss mit Strom versorgt, kann in dieser Situation Abhilfe schaffen. Wenn er über eine geeignete Isolierung in medizinischer Qualität verfügt, kann er es ermöglichen, dass ein AC/DC mit nur 1 x MOOP Ausgangsisolierung gegen Erde in einer Anwendung mit Patientenanschluss verwendet werden kann (Abbildung 5).

Im Vergleich zu einem einzelnen AC/DC mit 1 x MOPP gegen Erde kann die Kombination aus einem gebräuchlicheren AC/DC mit 1 x MOOP und einem kostengünstigen medizinischen DC/DC-Wandler eine wirtschaftliche Lösung darstellen. Obwohl der DC/DC-Wandler normalerweise nur Niederspannungseingänge und -ausgänge hat, muss seine Sicherheitseinstufung in Bezug auf MOPs in dieser Anwendung für die „System“-Spannung, typischerweise 250VAC, gelten. Es ist Vorsicht geboten, da einige Teile von Wettbewerbern, die mit „2 x MOPP“ beworben werden, nur für niedrige Systemspannungen, vielleicht 30VAC, geeignet sind, was für die Anwendung von geringem Wert ist.

Ein weiteres Szenario ist ebenfalls in Abbildung 5 dargestellt, bei dem es nicht spezifizierte Signaleingangs-/-ausgangsverbindungen (SIPP und/oder SOPP) gibt, wie z. B. Kommunikationsanschlüsse zu Geräten, die entweder mit Wechselstrom oder mit Batterien betrieben werden. Zwischen den Patientenanschlüssen und den Signalen müssen 2 x MOPP vorhanden sein, für den Fall, dass ein externer Fehler die Signale unter Spannung setzt. Auch hier kann ein zusätzlicher DC/DC-Wandler die erforderliche zusätzliche Isolierung bieten. Abbildung 5 zeigt eine AC/DC-Stromversorgung der Klasse I mit 2 x MOOP medizinischer Zulassung und nicht spezifizierten Systemsignaleingängen.

Ein zusätzlicher 2 x MOPP-zertifizierter DC/DC-Wandler sorgt für die erforderliche vollständige Isolierung der Signaleingänge und ermöglicht die Verwendung des kostengünstigeren AC/DC-Wandlers mit „Betreiberzertifizierung“ in einer Situation, in der ein Patient angeschlossen ist. Der AC/DC-Wandler allein hat wahrscheinlich einen zu hohen Ableitstrom für Anwendungen mit Patientenanschluss, aber auch hier reduziert der DC/DC-Wandler mit seiner geringen Isolationskapazität diesen auf ein leicht akzeptables Maximum. Der DC/DC-Wandler muss in der Regel nur eine geringe Leistung für eine signalisolierte Schnittstelle zum Patientenanschluss bereitstellen und ist daher relativ klein und kostengünstig.

Batteriebetriebene Geräte fallen in die gleiche Kategorie und erfordern eine 2 x MOPP-Isolierung zwischen den Ausgängen des Patientenanschlusses und allen nicht spezifizierten Geräten, die angeschlossen werden könnten - zum Beispiel ein Batterieladegerät oder ein Drucker über ein USB-Kabel. Auch hier ist ein 2 x MOPP-DC/DC-Wandler zur Versorgung der isolierten Schnittstellenschaltungen für den Patientenanschluss eine Lösung.

Fazit

DC/DC-Wandler mit hoher, zertifizierter Isolierung in medizinischer Qualität können wertvolle Hilfsmittel sein, um die erforderlichen Gesamtisolationswerte für die empfindlichsten Anwendungen zu erreichen, einschließlich des Worst-Case-Cardiac Floating (CF), Patient Connect. Bei sorgfältiger Anwendung können Systeme beispielsweise mit dem RECOM R05CT05S entworfen werden, um die Kosten zu minimieren, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Die fortschrittlichen thermischen, schaltungstechnischen und 3D-Power-Packaging-Techniken, die in dem DC/DC-Wandler zum Einsatz kommen, sind typisch für die neuesten RECOM-Produkte und setzen das Streben der Unternehmen nach kleineren, effizienteren und kostengünstigeren DC/DC- und AC/DC-Wandlern in allen Anwendungen, einschließlich der Medizintechnik, fort.