Power Modules holen das Mooresche Gesetz ein

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Über mehrere Jahrzehnte hinweg sind Prozessoren und komplexe ICs dem Mooreschen Gesetz gefolgt und haben die Anzahl der Transistoren erhöht. Die zugehörigen Spannungsregler haben sich jedoch bis vor Kurzem nicht im gleichen Maße verringert. Eine neue Generation von Geräten, die mit 3D Packaging Techniken produziert sind, zeigt enorme Verbesserungen bei der Leistungsdichte.

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.

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Abbildung 1: Das Mooresche Gesetz in der Praxis, mit einer Auswahl von Meilenstein-Prozessoren, dem Jahr deren Einführung und der Anzahl der Transistoren


Die Leistungsaufnahme ist nicht im gleichen Maße gestiegen wie die Komplexität, aber der Stromverbrauch ist gestiegen.

Der Strombedarf von Prozessoren und jetzt auch SoCs ist nicht im gleichen Maße gestiegen wie die Anzahl der Transistoren, weil die Kapazitäten der Geräte mit abnehmender Transistorgröße sinken. Dies führt zu geringeren dynamischen Verlusten und einer niedrigeren Stromaufnahme. Die Verkleinerung hat außerdem dazu geführt, dass niedrigere Spannungsversorgungsschienen verwendet werden, um Ausfälle zu vermeiden. Dies hat ebenfalls zu einer geringeren Leistungsaufnahme beigetragen. Dennoch ist die Leistungsaufnahme von ca. 1W beim Intel 4004 auf 150W oder mehr bei den neuesten Bauteilen gestiegen, und die Stromaufnahme hat sich von 67mA auf ca. 150A erhöht, was einem Faktor von 2200 entspricht.

Der drastische Anstieg des Stromverbrauchs erfordert nun, dass die erforderlichen Spannungsregler sehr nahe am Prozessor angebracht werden, um übermäßige Spannungsabfälle zu vermeiden und die geforderten hohen Spitzenströme zu liefern, was eine Herausforderung für die Stromversorgungsdesigner darstellt. Als Moore 1965 seinen Artikel schrieb, hatte ein 150W DC/DC-Wandler die Größe und das Gewicht eines Ziegelsteins, und selbst mit der neu erfundenen Schaltnetzteiltechnik wären die Verluste hoch gewesen. Der Wirkungsgrad hat sich im Laufe der Zeit durch Techniken wie die synchrone Gleichrichtung und bessere Halbleiter verbessert, aber bis vor kurzem war ein leistungsstarker DC/DC-Wandler für den „Point of Load“ (PoL) sehr groß. Die Modulhersteller griffen in der Regel auf vertikale 'SIP'- und unbequeme Through-Hole-Formate zurück, um Platz auf der Platine zu sparen, was auf Kosten der Höhe und der Unterbrechung des Luftstroms ging. Prozessoren und komplexe ICs wie ASICs und FPGAs benötigen ebenfalls mehrere Spannungsschienen, allerdings in der Regel mit geringerer Leistung. Der Zynq 7000 FPGA von Xilinx beispielsweise benötigt fünf Schienen, die typischerweise von 1V bis 3,3V reichen. (Abbildung 2).

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Abbildung 2: Ein typischer "Energiebaum" für einen FPGA


Die Topologien der PoL-Konverter haben sich nicht geändert.

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.

Für die Miniaturisierung müssen DC/DC-Wandler 'IC-ähnlich' werden.

PoL-Wandler können mit Hilfe von Steuer-ICs entwickelt werden, die immer mehr Funktionen integrieren und mit hoher Frequenz schalten, um die Größe von Induktoren und Kondensatoren zu reduzieren. Leistungsschalter lassen sich relativ einfach in den Steuer-IC integrieren, aber die Induktivität ist nach wie vor schwierig zu integrieren und wird oft als externes Bauteil angegeben. Das bedeutet, dass der Benutzer mit dem Overhead der Platzierung und einem Layout konfrontiert wird, das sorgfältig optimiert werden muss, um EMI-Probleme zu vermeiden. Um die Herausforderung eines integrierten und miniaturisierten PoL-Wandlers zu meistern, haben die Entwickler begonnen, IC-ähnliche Verfahren und verbesserte Wärmeübertragungstechniken einzusetzen. Wenn der PoL-Wandler beispielsweise umspritzt wird, können anstelle von Glasfaserplatinen Leadframes mit oberflächenmontierten Anschlüssen im Land-Grid-Array-Stil verwendet werden, um einen besseren Packungsfaktor und eine bessere Wärmeleistung zu erzielen. Zur besseren Ausnutzung der Z-Dimension können Induktivitäten über dem Leadframe in den Guss integriert werden. RECOM [2] ist mit seinem '3D Power Packaging'-Konzept ein Pionier dieser Techniken. Ein gutes Beispiel ist ihre RPX-Serie (Abbildung 3), die eine 'Flip Chip on Leadframe'-Konstruktion aufweist. Eine 1,5A-Version liefert einen programmierbaren 0,8-24V-Ausgang von 4 bis 36V Eingangsspannung in einem QFN-Gehäuse mit einer Grundfläche von 3mm x 5mm und einer Höhe von 1,6mm.



Wenn ein herkömmliches Substrat verwendet wird, kann der PoL-Steuer-IC platzsparend in die Leiterplattenschichten eingebettet werden, wie bei der RPL-3.0 Serie von RECOM (Abbildung 4). Der Chip ist im Wesentlichen blank, mit einer zusätzlichen metallisierten Umverteilungsschicht, die einen direkten Kontakt zwischen dem Silizium und den internen Kupferbahnen der Leiterplatte ermöglicht. Die SMT-Drosselspule, die Kondensatoren und andere passive Komponenten werden auf herkömmliche Weise auf der Oberseite des Substrats angebracht und die Verbindungen zur Anwendungsplatine über vergoldete Pads auf der Unterseite hergestellt. Das Ergebnis ist ein Bauteil, das bei einer Grundfläche von nur 3mm x 3mm und einer Höhe von 1,45mm mehr als 15W Leistung aus einem breiten Eingangsbereich von 4V bis 18V liefern kann.

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Abbildung 4: RECOMs RPL-3.0 mit in das Substrat eingebettetem IC und integriertem Induktor


Andere Module, wie die RECOM RPM-, RPMB- und RPMH-Serien in 25-poligen LGA-Gehäusen, erreichen ihre hohe Leistungsdichte durch den Einsatz einer internen mehrlagigen Leiterplatte mit gesteckten und blinden Durchkontaktierungen. Zusammen mit einer sechsseitigen metallischen Abschirmung ermöglicht diese thermisch verbesserte Anordnung den Betrieb mit voller Leistung bis zu einer Umgebungstemperatur von über 85°C.

Die geringere Höhe und Grundfläche dieser neuen Generationen von Modul-PoL-Wandlern eröffnet die Möglichkeit, sie auf der Rückseite eines Motherboards, direkt unter dem Prozessor oder sogar im Co-Packaging mit einem komplexen IC unterzubringen. Die Miniaturisierung hat außerdem den zusätzlichen Vorteil, dass die EMI-erzeugenden Schleifen innerhalb des Konverters sehr klein gehalten werden können, so dass die Emissionen ebenfalls sehr gering sind, was dazu beiträgt, den Bedarf an zusätzlicher Filterung zu verringern und noch mehr Platz auf der Platine zu schaffen.

Eine Reihe von Leistungsmodulen wird für alle Anwendungen benötigt.

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.

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Abbildung 5: Die breite Palette der von RECOM erhältlichen Buck-Power-Module, Eingangsspannung und Ausgangsstrom


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.

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Abbildung 6: Von RECOM erhältliche Boost-Buck-Boost-Leistungsmodule


Mit zunehmender Stromstärke und Leistung der RECOM-Leistungsmodule werden zusätzliche Funktionen hinzugefügt. Zum Beispiel ein 'Power Good'-Signal für die meisten Bauteile mit einer Nennleistung von 1A und mehr, ein Foldback-Überstromschutz für das RPL-1.0 und RPL-2.0 und ein extrem niedriger Ruhestrom für das RPZ-0.6. Das leistungsstärkste Modul, das RPL-15, kann auch mit vorgespannten Lasten starten und verfügt über Schaltfrequenzwahl und Fernabtastung. Das Bauteil verfügt außerdem über eine 'Instant PWM'-Architektur für schnelles Einschwingverhalten. Ein Überspannungsschutz am Ausgang ist ebenso vorhanden wie eine einstellbare Eingangsunterspannungsabschaltung und ein Softstart.

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.

Das Mooresche Gesetz auf PoL-Wandler angewandt?

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.

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Abbildung 7: Ältere through-hole Technologie von 5V auf 1,8V/2A PoL (links) im Vergleich zu RECOM RPZ-2.0 (rechts) (Maße in mm, maßstabsgetreu)


Der Wertbeitrag von Power-Modulen ist jetzt klar.

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.

Fazit

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.

Referenzen:

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