Energieeffiziente Stromversorgungen benötigen keine Kühlkörper

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Von der Ansteuerung von LEDs bis hin zur Stromversorgung von Laptops und intelligenten Verbrauchergeräten sind hocheffiziente Stromversorgungen ein Muss, um Stromverluste zu minimieren und die Leistung zu optimieren.

Ineffiziente Stromversorgungen haben eine höhere interne Verlustleistung, die sich in Wärme niederschlägt. Und die Ableitung unerwünschter Wärme aus dem Gerät führt zu zusätzlichen Kosten, größeren Abmessungen, geringerer Zuverlässigkeit und Gesamtleistung des elektronischen Systems.

Da Systeme immer leistungsfähiger und kompakter werden müssen, ist ein optimales Wärmemanagement der Elektronik eine ständige Herausforderung für Ingenieure in fast allen Branchen. Es gibt zwar viele neuartige Lösungen für die Ableitung von Wärme aus heißen Leistungskomponenten und Gehäusen, wie z. B. Lüfter, Flüssigkeitskühlung, Kühlkörper usw., aber auch an den Produkten selbst werden viele Fortschritte gemacht, um die thermische Leistung eines Systems zu optimieren und so die Anforderungen an das externe Wärmemanagement zu minimieren.

Fortschrittliche Lösungen für das Wärmemanagement

Obwohl sich die Kühlkörpertechnologien in den letzten Jahren dank verbesserter Materialien und neuartiger Konstruktionstechniken weiterentwickelt haben, handelt es sich immer noch um relativ sperrige Komponenten, die Größe und das Gewicht einer Stromversorgung erheblich erhöhen und somit die Materialkosten in die Höhe treiben. Wenn das System darüber hinaus als Teil der Wärmemanagementlösung eine Zwangskühlung benötigt, nimmt die Größe des Stromversorgungssystems noch weiter zu und die Zuverlässigkeit sinkt.

Deswegen kann der Verzicht auf Kühlkörper in einer Stromversorgung von großem Vorteil sein. Die Systementwickler müssen entweder ein Design verwenden, das die Abwärme reduziert, indem sie den Wirkungsgrad des Geräts erhöhen, oder ein Design entwerfen, das die Wärme besser abführt, wie z. B. einige Stromversorgungen, die das Gehäuse als Teil einer Wärmelösung verwenden, so dass auf separate Kühlkörper verzichtet werden kann.

Die Vermeidung von Wärmeentwicklung ist jedoch eine effizientere Lösung, sowohl für AC/DC als auch für DC/DC-Stromversorgungen, weil ein hoher Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich für alle Arten von elektronischen Produkten immer wichtiger wird. Nehmen wir zum Beispiel eine 800W Stromversorgung, die mit einem Wirkungsgrad von 90% arbeitet. Der Verlust von 10% erzeugt etwa 80W Wärme, die durch die Verwendung geeigneter Materialien und ein thermisch korrektes Design abgeleitet werden muss, um sicherzustellen, dass die Komponenten auf der Leiterplatte (PCB) oder die Bauteile nicht mit höheren Temperaturen als vorgeschrieben arbeiten, was zu Ausfällen führen würde.

Durch die Verbesserung des Wirkungsgrads solcher Netzteile von 90% auf 95% wird die Verlustleistung um 50% reduziert (von 80W auf 40W), so dass die damit verbundene Wärmeentwicklung innerhalb eines Spannungswandlers leichter zu bewältigen ist.

Daher ist die Wahl einer effizienten Stromversorgung für ein Systemdesign sehr wichtig. Durch die Verwendung einer Stromversorgung, die bei allen Lasten einen hohen Wirkungsgrad bietet, wird das System weniger Wärme ableiten, was das Wärmemanagement vereinfacht und somit die Notwendigkeit einer luftstrombasierten Kühlung oder spezieller Kühlkörper überflüssig macht.

Optimierung der Leistung

RECOM ist stolz darauf, seinen Kunden kompakte, kostengünstige und vor allem hocheffizienteAC/DC, DC/DC-Stromversorgungen und Schaltregler für eine Vielzahl von Anwendungen anbieten zu können. Das Unternehmen ist der Ansicht, dass die Effizienz einer Stromversorgung, insbesondere eines PCB Moduls, bei dem die Leistungsdichte sehr hoch sein kann, oft ein entscheidender Faktor bei der Auswahl des am besten geeigneten Teils für eine bestimmte Anwendung ist.

Dementsprechend haben die RECOM-Ingenieure für solche Anwendungen hocheffiziente Stromversorgungen entwickelt, die modernste Architektur mit innovativer Topologie, fortschrittlichem 3D-Power-Packaging (3DPP). Dazu werden optimierte Komponenten und innovativen Lösungen für das Wärmemanagement kombiniert, um höchste Wirkungsgrade von solchen Produkten zu erzielen, so dass sie höchste Leistungsdichte, Umwandlungseffizienz, Flexibilität und Zuverlässigkeit bieten.

Apropos 3DPP: Das Unternehmen hat sich diese Gehäusetechnologie zunutze gemacht, um zwei kritische Parameter, Ψjt und θja, zu reduzieren, die den gesamten Mehrweg-Wärmewiderstand eines Leistungspakets oder einer Komponente definieren, um die letztendliche Betriebstemperatur der Wärmequelle und die Gehäusetemperatur zu verringern (Abbildung 1).

Infolgedessen hat RECOM erfolgreich 3DPP-Produkte mit hoher Leistungsdichte hergestellt, die für leistungsstarke, hocheffiziente Geräte ausgelegt sind, ohne dass aktive Kühlmethoden oder große passive Kühlkörper erforderlich sind.

Zu den Beispielen in diesem Bereich gehören die nicht isolierten 30-W-RPMB/RPMH Serienvon RECOM, die in einem thermisch optimierten 25-Pad-LGA-Gehäuse mit den Abmessungen 11,7 mm x 12,19 mm x 3,75 mm Höhe geliefert werden. Diese kompakten All-in-One-Power-Module bieten einen Wirkungsgrad von 99% und benötigen keine Kühlkörper.



Abbildung 1. 3DPP reduziert den Gesamtwärmewiderstand einer Stromversorgung / eines Moduls und macht große passive Kühlkörper überflüssig. (Quelle: RECOM)


RECOM führt umfassende Tests mit firmeneigenen automatisierten Testsystemen, Klimakammern und Windkanalmessungen durch, um genaue temperaturbasierte Daten und Derating-Informationen für Datenblätter zu liefern, wie z. B. Angaben zur thermischen Impedanz und zur maximalen Gehäusetemperatur, Tabellen zum Wirkungsgrad im Vergleich zur Last und Temperaturderating-Diagramme sowohl für Standardbauteile als auch für Module, die über eine Kühlkörperoption für extreme Betriebsbedingungen verfügen.

Um Kunden bei der Auswahl solcher hocheffizienten Stromversorgungen zu unterstützen, hat das Unternehmen außerdem die Parametrische Suche entwickelt, mit denen Systementwickler die optimale Versorgung für ihre Endanwendung auswählen können, so dass sie sicher sein können, dass die Stromversorgung auch bei extremen Temperaturen innerhalb ihrer Leistungsgrenzen funktioniert.