Broschüre
Auswahlhilfe für Flex-Leistungsmodule
In vielen Elektronikanwendungen werden flache Bauteile eingesetzt, um mehr Karten in einem Rack unterzubringen. Allerdings ist ein flaches Profil nicht immer mit der hohen Packungsdichte moderner Elektronik kompatibel, insbesondere in Serverracks, wo der Platz in XY-Richtung begrenzt, die Höhe in Z-Richtung jedoch ausreichend ist. In solchen Anwendungen ermöglicht die Maximierung der Höhe und Minimierung der XY-Abmessungen eine höhere Funktionalität pro Karte und damit letztendlich eine höhere Funktionalität pro Quadratmeter Rechenzentrumsfläche.
Vertikale DC/DC-Netzteile mit minimalem Platzbedarf haben daher durchaus ihre Berechtigung – ein Blick in jeden Desktop-PC genügt, um sie als VRMs (Spannungsregler) zu finden, die die CPUs mit ihren hohen Kühlkörpern und Lüftern direkt am Lastpunkt mit Strom versorgen. Komplexe Anordnungen von Heatpipes und Halterungen können zwar auch vertikale Module kühlen, doch als universelle Produkte müssen sie für den Betrieb mit Konvektion oder Zwangsluftkühlung mit integriertem Kühlkörper ausgelegt sein. Die Herausforderung besteht nun darin, die verfügbare Luftmenge, ihre Vorwärmung durch benachbarte wärmeabführende Komponenten und den tatsächlich erreichbaren Luftdurchsatz zu ermitteln. Moderne Netzteile erreichen erstaunliche Wirkungsgrade mit einer Verlustleistung von nur wenigen Watt bei einer Last von mehreren hundert Watt. Diese Last kann sich jedoch nur wenige Zentimeter entfernt, im Luftstrom stromaufwärts, befinden und die Umgebungstemperatur stark erhöhen.
Denken in der dritten Dimension
Bei hohen Leistungen benötigen selbst die flachsten DC/DC-Wandler in der Regel Kühlkörper, was die Gesamthöhe erhöht und zusätzliche Kosten für die Beschaffung und Montage verursacht, da die Bauteile quasi über den anderen Platinenkomponenten schweben. Auch andere Komponenten wie Steckverbinder, Lüfter oder große Kondensatoren können die erforderliche Höhe bestimmen. In manchen Fällen kann die benötigte Fläche auf der Leiterplatte (XY-Ebene) der limitierende Faktor sein. Ein herkömmliches Modul in Blockform, gegebenenfalls mit einem Sperrbereich an der Unterseite, beansprucht zu viel wertvolle Platinenfläche, die für andere Komponenten oder Leiterbahnen benötigt wird.
Vertikale Leistungsmodule können eine wertvolle Lösung sein
Bei einem ganzheitlichen Ansatz kann die vertikale Bauweise jedoch einen Mehrwert bieten. Moderne vertikale IBC-Produkte vereinen eine Nennleistung von 900 W auf einer Fläche, die etwas kleiner ist als die eines horizontalen Viertel-Bricks mit derselben Leistung. Darüber hinaus verfügt ein vertikaler IBC über einen integrierten, umlaufenden Kühlkörper, der die Kühlfläche effektiv verdoppelt und so auch bei moderatem Luftstrom eine effiziente Kühlung ermöglicht. Der Kühlkörper kann zudem optimal auf das Modul abgestimmt werden und bietet im Vergleich zu flachen, bodenplattengekühlten Systemen, die eine thermische Verbindung mit einem externen Kühlkörper oder einer Kühlplatte benötigen, die geringsten Wärmewiderstände zu den Komponenten. Dies führt insbesondere bei der Montage mehrerer Module zu Schwankungen in der Isolierung und Ebenheit.
Ein potenzielles Problem bei vertikalen Hochleistungsmodulen könnte die mechanische Montage sein. Aufgrund des hohen Schwerpunkts und des hohen Gewichts sind SMD-Anschlüsse allein möglicherweise nicht robust genug, um das Modul bei Stoß- und Vibrationstests sicher zu befestigen. Durchsteckanschlüsse werden aufgrund der gebotenen mechanischen Stabilität bevorzugt, gegebenenfalls in Kombination mit zusätzlichen Schraubbefestigungen. Dies führt jedoch zu einer etwas aufwendigeren und teureren Montage.
Ein vertikales DC/DC-Leistungsmodul kann 300 W auf weniger als 7 cm liefern.2 Fußabdruck
Ein Beispiel für den effektiven Einsatz vertikaler Leistungsmodule sind die Leistungsmodule Flex. BMR520 Produkt (Abbildung 1Dieses sogenannte ‘Power Blade’ ist ein vollfunktionsfähiger, isolierter 300-W-DC/DC-Wandler mit 42,5–75 V Eingangsspannung und 12 V Ausgangsspannung. Mit einer SMD-Baufläche von 17 mm × 40 mm und einer maximalen Kühlfläche bei einer Höhe von 20 mm bildet das Blade eine Leistungswandlungsstufe, die von einer separaten Steuereinheit in herkömmlicher horizontaler SMD-Bauform angesteuert wird.
Abbildung 1: Flex Leistungsmodul BMR520 (300 W) vertikaler DC/DC-Wandler mit Steuereinheit
Die Steuereinheit umfasst alle Steuerungs-, Überwachungs- und Schutzfunktionen und ist PMBus-kompatibel.® Aktiviert. Der integrierte Kühlkörper des Moduls bedeckt die beiden Längsseiten und maximiert so die Oberfläche und die effektive Wärmeableitung. Zusammen mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 941 µT ermöglicht dies den Betrieb bei einer Eingangsspannung von 48 V und einer Lufttemperatur von über 80 °C bei ausreichendem Luftstrom. Die kleine Steuereinheit (nur 17 mm x 17 mm) ist daneben angebracht und kann bis zu drei Module mit einer Gesamtleistung von 900 W ansteuern. Die Trennung von Steuer- und Leistungsstufe bietet Flexibilität für 1, 2 oder 3 Module je nach Leistungsaufnahme und reduziert gleichzeitig das Gewicht der Leistungsstufe. Dadurch kann sie sicher oberflächenmontiert werden, inklusive zweier mechanischer Durchsteckverbindungen mit Wärmeleitpaste. Das vertikale Modul kann nun so ausgerichtet werden, dass der verfügbare Luftstrom optimal genutzt wird. Es bietet sich sogar die Möglichkeit, das Bauteil als ‘Blende“ zu verwenden, um heiße Luft von empfindlichen nachgeschalteten Komponenten abzulenken. Kleinere Platinen lassen sich zudem leichter in ein typisches Platinenlayout integrieren als eine größere Viertel-Platine (typischerweise 58,4 x 36,8 x 12,19 mm).
Auch nicht isolierte Leistungsmodule haben ihren Platz.
Die BMR520 Im Allgemeinen würden darauf nicht-isolierte Point-of-Load-Umrichter folgen, und in Umgebungen mit ausreichend Platz können PoL-Module im SIP-Stil (Point-of-Load) erneut auf kleinem Raum eine hohe Leistung erbringen. Zum Beispiel die Durchsteckmontage BMR474 Die Leistungsmodule der Serie Flex liefern bis zu 80 A / 198 W auf einer Platinenfläche von nur 33 mm x 12,1 mm mit integriertem Kühlkörper und 3 m/s Luftstrom. Eine Version mit einer Grundfläche von nur 33 mm x 8,6 mm liefert ebenfalls 80 A bei gleichem Luftstrom, reduziert jedoch die Leistung aufgrund der niedrigeren Temperatur bei natürlicher Konvektion. Die Bauhöhe beträgt in beiden Fällen nur 19 mm. Das Modul ist demnächst auch im SIP-Format erhältlich. BMR473 Liefert bis zu 40 A und ist dabei in einem Gehäuse mit Abmessungen von nur 26,3 (L) x 8,8 (B) x 15,6 (H) mm untergebracht.
Ein hohes Profil kann von Vorteil sein, insbesondere wenn die verfügbare Platinenfläche optimal genutzt werden soll. Dies muss jedoch nicht zu Lasten der thermischen oder elektrischen Leistung gehen – sowohl der BMR520 als auch der BMR520 bieten diese Vorteile. BMR474 werden unterstützt von Flex Power Designer Software, mit der Sie die erheblichen Vorteile modellieren können.
