3D Power Packaging® für SMT DC/DC-Wandler

Obwohl jedes Jahr Millionen dieser THT DC/DC-Wandler verkauft werden, bestand ein langfristiges Ziel von RECOM darin, alternative Versionen zu entwickeln, die wie alle anderen modernen SMT-Komponenten platziert und verlötet werden können – auch mit einer niedrigen Bauhöhe, passend zu den heutigen flachen SMT-Produkten. Der Footprint muss so klein wie möglich sein, um die Vorteile eines Konverter-Moduls gegenüber einem diskreten Design zu realisieren. Dies kann durch 3D Power Packaging^® erreicht werden, wobei RECOM auch die Z-Achse für einen vertikalen Schichtaufbau nutzt und somit eine Best in Class Leistungsdichte schafft.

Bei höheren Ausgangsströmen sind die RECOM RPM/RPMB/RPMH - Serien ein perfektes Beispiel für ein 30W-Teil in einem thermisch optimierten 25-Pad-LGA-Gehäuse mit einer geringen Baugröße von nur 12,19mm x 12,19mm x 3,75mm. Diese Leistungsdichte wird mit einer mehrschichtigen internen Leiterplatte erreicht, die Durchkontaktierungen (Plugged & Blind Vias) für eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes verwendet.



Das Design besteht aus einer vierlagigen Leiterplatte mit einer Grundplatte, die von einem metallischen Gehäuse sechsseitig abgeschirmt und für sehr niedrige EMI umschlossen ist. Diese Art der Konstruktion ist sehr aufwendig, benötigt aber nur ca. 1,4cm² Platz, um eine ordnungsgemäße Wärmeableitung zu ermöglichen und die volle Leistung bei Umgebungstemperaturen von über +85°C zu liefern. Der Vorteil des RPM/RPMB/RPMH-Designs besteht darin, dass sich die komplexe Konstruktion vollständig im Modul befindet. Der Endbenutzer kann eine kostengünstige zweilagige Leiterplatte verwenden, ohne teure Plugged Vias zu verwenden, und dennoch ein leistungsstarkes, sehr kompaktes SMT-Bordnetzteil integrieren, ohne auf Zwangsluftkühlung zurückgreifen zu müssen.

Es stehen drei RECOM RPM-Serien zur Verfügung, die alle identische Pad-Designs aufweisen, sodass sie austauschbar sind:

Der nicht isolierte DC/DC-Einsatz hat zugenommen und ersetzt häufig die herkömmlichen Längsregler mit drei Pins (TO-220). Heute werden sie auch oft als Point-of-Load-Regler mit höherer Eingangsspannung verwendet und bieten eine präzisere Niederspannungsversorgung für hochintegrierte ICs wie CPUs, GPUs und SoC-Geräte. Um einen Vorteil gegenüber diskreten Lösungen zu erzielen, sollte ein vorgefertigtes DC/DC-Modul den absoluten Mindestplatzbedarf und die Mindesthöhe einnehmen und trotzdem kühl laufen, während die strengen Transienten und Geräuschanforderungen moderner ICs weiterhin erfüllt werden. Um diese geringe Größe zu erreichen, ist ein hoher Wirkungsgrad erforderlich, was normalerweise eine niedrige Schaltfrequenz und folglich eine relativ große Ausgangsinduktivität bedeutet – also genau das Gegenteil von dem, was benötigt wird. Verbesserte Halbleiter, Wandler-Topologien und magnetische Materialien haben es jedoch ermöglicht, dass es Frequenzen in den MHz-Bereich schaffen, ohne dass der Wirkungsgrad durch den kleineren Induktor wesentlich abnimmt. Dies hat es den Entwicklern ermöglicht, kreativ mit dem Gehäuse umzugehen und eine erstaunliche Miniaturisierung zu erzielen, selbst wenn die Drossel in dem Modul integriert ist. Zum Beispiel hat die RECOM RPX-Serie mit integriertem Induktor eine Grundfläche von nur 4,5mm x 4mm und eine Höhe von lediglich 2mm in einem QFN-Format-Gehäuse, liefert jedoch bis zu 4A Ausgangsstrom bei einem Spitzenwirkungsgrad von über 90%. Die 1A-Version ist noch kleiner (3mm x 5mm) und nur 1,6mm hoch. Diese Leistungsdichte wird mittels Flip-Chip on Leadframe (FCOL) und mit thermisch-leitendem Vergussmaterial erreicht. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass die engen Schaltstromschleifen eine sehr niedrige EMI erzeugen. Diese hohe Leistungsdichte und optimierte Wärmeleistung, kann bei einer diskreten Lösung nicht erreicht werden. Ausgewählte DC/DC-Stromversorgungen im QFN-Gehäuse bieten jetzt auch -Q-Varianten mit Automotive AEC-Q100-Qualifikation, einschließlich „wettable flanks“ für die automatische optische Inspektion von Lötstellen an.

Der RPL-3.0 ist ein Leistungsmodul mit integriertem Induktor in einem winzigen LGA-Gehäuse von 3 x 3 x 1,45mm. Trotz der geringen Größe benötigt das komplette Leistungsmodul nur MLCC-Kondensatoren an Eingang und Ausgang sowie zwei Widerstände zur Einstellung der Ausgangsspannung, um eine voll funktionsfähige Stromversorgung zu bilden. Ein Sense-Eingang kompensiert alle I²R-Verluste in den Ausgängen, während die Anschlüsse Enable und Power-Good eine einfache Sequenzierung der Stromschienen in Anwendungen mit verteilter Stromversorgungsarchitektur ermöglichen. Ein interner LDO-Regler stellt einen festen Ausgang mit 3,3 VDC/20mA zur Verfügung, der für Pull-Ups oder für externe Steuerlogik geeignet ist.

Der große Eingangsspannungsbereich eignet sich für standardmäßige Versorgungen mit 3,3, 5, 12 oder 15 VDC sowie für batteriebetriebene tragbare Anwendungen. Im Stillstand zieht das Modul nur 15µA. Intern verwendet das Modul eine Steuerung mit konstanter Einschaltzeit für eine schnelle Reaktion auf abrupte Lasttransienten in Kombination mit einem separaten langsamen Regelkreis für Ausgangsstabilität und bietet damit eine präzise Lastregelung, ohne die Reaktion auf Transienten zu beeinträchtigen. Dadurch eignet sich der RPL-3.0 besonders für dynamische Lasten wie Mikrocontroller, Funkgeräte oder Pulsstrom-Bildgebungssysteme.

Die RS12-Z DC/DC-Wandlerserie erreicht klassenführende Leistungsdichte im SIP8-Format durch Nutzung der Planartransformator-Technologie mit fortschrittlichem Gehäuse und thermischem Design. Die Wandlerserie im Metallgehäuse zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus und arbeitet bei 12W Volllast bis 75°C mit reiner Konvektionskühlung (24V-Eingang). Die Pinbelegung folgt dem Industriestandard und ist zur Ermöglichung eines einfachen Leistungs-Upgrades abwärtskompatibel mit 3W- und 6W-Bauteilen im SIP8-Format. Es ist lediglich eine minimale externe Filterung ist erforderlich, um EMV-Konformität gemäß EN 55032, Klasse A oder B, zu erreichen. Die Bauteile bieten außerdem eine Ausgangs-Trimmfunktion, eine Eingangs-Unterspannungssperre sowie einen Dauerkurzschlussschutz.

Sie eignen sich ideal für Anwendungen, die einen breiten Eingangsbereich erfordern und mehrere Nennspannungen abdecken.

Diese DC/DC-Wandler sind in der einzigartigen 3D-Gehäusetechnologie von RECOM verbaut. Ein kundenspezifisches Formteil aus Kunststoff trägt die Steuerplatine, die die Oberseite des Bauteils bildet. Der Trenntransformator wird darunter montiert, um eine minimale Gesamtgrundfläche mit einer Höhe zwischen 5,8 und 8,5 mm zu erreichen (variiert je nach Serie). Die offene Rahmenkonstruktion ist besonders nützlich, wenn oberflächenmontierbare Reflow-Profile für vergossene oder geformte Teile zu schwer sind. Die R1SX Serie bietet einen Einzelausgang mit 1W bis zu 100°C, die R1DX-Serie hat zwei Ausgänge. Beide sind mit einer sicherheitszertifizierten Isolation von 3kV/ Sekunde ausgestattet. Die R1ZX Serie ähnelt dem R1SX, enthält jedoch einen Linearregler für einen präzisen, rauscharmen Ausgang mit 2kV/ Sekunde-Isolierung. Die R2SX Serie bietet 2W Leistung bei bis zu 75°C (100°C mit Derating) und hält 3kV/Sekunde stand.

Alle Geräte in diesem Gehäuseformat verfügen über standardmäßige und kompatible Pinbelegungen und eignen sich ideal für den Einsatz in Bus-Isolatoren, industriellen Steuerungen und Batteriemanagementsystemen.

Die oberhalb beschriebenen Beispiele waren alle nicht isolierte Wandler. Wenn eine Isolierung erforderlich ist, definieren die Kriech- und Abstanddistanzen eine minimale X- oder Y-Dimension. Beispielsweise ist in medizinischen Anwendungen mit Netzspannungen für 2 Means of Protection zum Schutz des Patienten (2MOPP) eine Kriech/Abstand-Entfernung von 8mm zwischen Eingang und Ausgang erforderlich. Angesichts dieser minimalen Verpackungsabmessung kann eine etwas traditionellere Konstruktion gewählt werden, in der „Bare Dies“ für die Stromversorgungs- und Steuer-Elemente mit einem SOIC16-Leadframe-Bonddraht verbunden und dann vergossen werden, wie beispielsweise im neuen RECOM R05CT05S. Der Isolations-Transformator in diesem DC/DC-Wandler ist ein proprietäres, mehrschichtiges, flaches Design mit sehr niedrigem Profil, sodass eine Isolationsspannung von 5kVAC und ein verstärkter 2MOPP-Isolationswert erreicht werden. Die Gesamthöhe des Wandlers beträgt nur 2,65mm, was ihn für kartenartige Anwendungen geeignet macht, da die Höhe des isolierten DC/DC-Wandlers nicht größer ist als bei allen anderen SMT-Komponenten. Die R05CT05S-Serie bietet auch eine genaue Line & Load Regulation mit einem externen Enable. Der RECOM R05CT05S liefert 500mW mit 5V Eingang und 5V oder 3,3V Ausgang und eignet sich besonders für die Stromversorgung isolierter Schnittstellen in kritischen medizinischen und industriellen Anwendungen.