Einleitung

In der vorherigen Ausgabe haben wir kurz die Verlustleistung erwähnt, auf die wir bei der Erläuterung von DC/DC-Wandlern (Schaltreglern) eingehen wollten. Da jedoch die Verlustleistung bei der Verwendung von Linearreglern sehr wichtig ist, werden wir über die Effizienz und die Verlustleistung von Linearreglern sprechen.

Wirkungsgrad eines Linearreglers

Wirkungsgrad von Power-Management-ICs

Lassen Sie mich zunächst einen Überblick über die Effizienz eines Power-Management-ICs geben. Die Aufgabe eines Power-Management-ICs besteht darin, die für den Betrieb des Lastgeräts erforderliche stabile Spannung und Leistung zu liefern. Im Idealfall sollte ein Power-Management-IC in der Lage sein, den gesamten Strom von einer Eingangsstromversorgung an sein Lastgerät zu liefern. Er benötigt jedoch auch etwas Strom, um eine stabile Spannung für die Last zu erzeugen und zu liefern. Ein "effizienter Power-Management-IC" ist daher ein IC, der nur wenig Strom benötigt, um eine feste Spannung zu erzeugen.

Der Wirkungsgrad wird durch das Verhältnis zwischen dem Strom, den die Lastvorrichtung verbraucht, und dem Strom, den die Eingangsstromversorgung für den Stromverwaltungs-IC bereitstellt, ausgedrückt.

Efficiency (%) = Output Power (W) / Input Power (W)

Der Wirkungsgrad ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Leistung eines Power-Management-ICs.

Wirkungsgrad eines Linearreglers

Abbildung 1 ist ein Blockdiagramm eines Linearreglers, das die durch die einzelnen Blöcke fließenden Ströme, die Leistungsaufnahme in jedem Block und dem aus der Leistungsaufnahme berechneten Wirkungsgrad zeigt.

Abbildung 1. Wirkungsgrad eines Linearreglers

Der Strom, der durch den Linearregler fließt, ist die Summe aus dem Ruhestrom Icc und dem Ausgangsstrom Iout. Daher wird die Eingangsleistung nach der folgenden Formel berechnet:

Input Power (W) = Vin × (Icc + Iout).

Die im Linearregler verbrauchte Leistung (interne Verluste) setzt sich zusammen aus der Eigenverbrauchsleistung, die die Steuerblöcke verbrauchen (Vin × Icc) und der Leistung, die der Ausgangstreiber verbraucht.

Daher kann die interne Verlustleistung durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

Internal Loss (W) = Vin × Icc + (Vin – Vout) × Iout

Vin: Input Voltage
Vout: Output voltage
Iout: Output Current
Icc: Quiescent Current

Ein CMOS-basierter Linearregler verbraucht intern nur sehr wenig Strom. Wenn der Ruhestrom ignoriert wird, lässt sich der Wirkungsgrad mit der folgenden Formel berechnen:

Efficiency (%) = (Vout × Iout) / (Vin × Iout).

Außerdem können Sie den gemeinsamen Nenner und Zähler Iout löschen:

Efficiency (%) = Vout (V) / Vin (V).

Das bedeutet, dass der Wirkungsgrad eines Linearreglers kurz berechnet werden kann, indem man seine Ausgangsspannung durch seine Eingangsspannung teilt.

Da ein linearer Regler im Ausgangstreibertransistor Strom verbraucht (um eine feste Ausgangsspannung zu erzeugen), ist er unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrads alles andere als eine ideale Stromversorgung.

*Unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrads sind DC/DC-Wandler (Schaltregler) den Linearreglern in der Regel überlegen. In den folgenden Bänden werden wir die Leistung und die Merkmale von DC/DC-Wandlern im Vergleich zu den linearen Reglern erläutern.

Wie Sie aus diesen Gleichungen ersehen können, kann ein LDO mit sehr niedriger Dropout-Spannung den gleichen oder sogar einen höheren Wirkungsgrad als ein DC/DC-Wandler erreichen, wenn die Anwendung eine kleine Eingangs-Ausgangs-Differenz akzeptieren kann. Wenn beispielsweise ein LDO mit 0,3 V Dropout 3,3 V Eingangsspannung erhält und 3,0 V Ausgangsspannung erzeugt, kann er einen Wirkungsgrad von 91 % erreichen, d. h. er kann genauso effizient sein wie ein DC/DC-Wandler.

Andererseits verschlechtert sich der Wirkungsgrad, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung größer wird. Die Leistung, die den Wirkungsgrad während der Umwandlung nicht erhöht, wird als Leistungsverlust angesehen.

Interne Verluste (verbrauchte Leistung) und Verlustleistung des Gehäuses

Die Verlustleistung ist der akzeptable Wert der elektrischen Leistung, die im Inneren eines IC verbraucht und in Wärme umgewandelt wird. Ich werde im Folgenden weitere Erklärungen geben.

Ein Linearregler erzeugt eine stabile Ausgangsspannung, indem er in seinem eingebauten Ausgangstreibertransistor Leistung verbraucht und die dort verbrauchte Leistung wird vollständig in Wärme umgewandelt. Diese Wärmeerzeugung erhöht die Temperatur des Linearreglers. Das Problem dabei ist, dass ein Linearregler einen begrenzten Wärmewert hat, bei dessen Überschreitung er nicht mehr richtig funktioniert oder, schlimmer noch, beschädigt werden kann.

Die "Verlustleistung" stellt somit den maximal akzeptablen Wert der internen Verluste bzw. des Stromverbrauchs dar, um ein Überschreiten dieser thermischen Begrenzung zu vermeiden.

Wie wird nun die Verlustleistung berechnet?

Wärmewiderstand

Die im Inneren eines Halbleiterchips verbrauchte Leistung bzw. die internen Verluste werden in Wärme umgewandelt und erhöhen die Chiptemperatur. Die erzeugte Wärme strahlt jedoch durch das Gehäuse ab, in dem sich der Halbleiterchip befindet. Daher wird die Chiptemperatur durch den Gleichgewichtspunkt zwischen der Wärmeerzeugung des Halbleiterchips und der Fähigkeit des Gehäuses zur Wärmeabstrahlung bestimmt.

Wie viel Wärme ein Halbleiterchip erzeugt, hängt von der Menge der verbrauchten Leistung oder den internen Verlusten ab. Auch die Wärmeabstrahlungsfähigkeit eines Gehäuses wird durch den Gehäusetyp, die Größe, die Platine, auf der der Chip montiert ist, usw. bestimmt.

Abbildung 2. Wärmewiderstand eines Gehäuses

Abbildung 2 zeigt, wie die vom Chip erzeugte Wärme über alle möglichen Wege abstrahlt. In einem Beispiel wird die Wärme, die von der Oberfläche eines Chips erzeugt wird, der auf einem Kunstharzgehäuse montiert ist, von der Gehäuseoberfläche über das Kunstharz abgestrahlt. Oder, in einem anderen Beispiel, kann die Wärme vom Leiterrahmen zu den Leitern, von den Leitern zur Montageplatte und von der Montageplatte zur Luft abgestrahlt werden.

Ein Gehäuse mit guten Wärmeabstrahlungseigenschaften kann den Temperaturanstieg eines Chips für die erzeugte Wärme unterdrücken, da es die Wärme von dem erwärmten Teil effizient an die Umgebung ableiten kann. Umgekehrt führt ein Gehäuse mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu einem Temperaturanstieg des Chips aufgrund der Wärmeerzeugung. Dies legt nahe, dass wir berücksichtigen müssen, wie schwierig es für die Wärme ist, aufgrund des Temperaturanstiegs, der durch die Wärmeerzeugung eines Chips verursacht wird, zu leiten. Dies ist das Konzept des Wärmewiderstands.

Der Wärmewiderstand kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

θja = (Tj – Ta) / Pd

θja: Thermal resistance between junction and the measuring point of ambient temperature
Tj: Junction temperature
Ta: Ambient temperature
Pd: power consumption (internal loss)

Hier stehen die Indizes "j" und "a" für "Junction" bzw. "Ambient".

Im Allgemeinen wird der Wärmewiderstand durch die Steigerungsrate der Sperrschichttemperatur in Bezug auf die Leistungsaufnahme eines Halbleiterchips ausgedrückt, wobei die Umgebungstemperatur, d. h. die Temperatur an dem Punkt, an dem die thermische Erhöhung des Gehäuses nicht erreicht wird, als Grundlage gilt.

Die Formel wird übrigens verständlicher, wenn man bedenkt, dass sie die gleiche Struktur wie das Ohmsche Gesetz hat:

R = V / I.

* Elektrischer Widerstand und Wärmewiderstand

•    Elektrischer Widerstand

    Ein Strom fließt vom höheren zum niedrigeren elektrischen Potenzial. Die Höhe des Stroms ist proportional zur Potenzialdifferenz.
    Die Proportionalitätskonstante wird als elektrischer Widerstand bezeichnet, der nach der folgenden Formel berechnet wird:

    Elektrischer Widerstand = Potenzial (V) / Strom (A)

•    Thermischer Widerstand

    Wärme fließt vom heißeren Punkt zum kühleren Punkt. Die Menge des Flusses ist proportional zur Wärmedifferenz. Die Proportionalitätskonstante wird als Wärmewiderstand bezeichnet, der nach folgender Formel berechnet wird:

    Wärmewiderstand = Wärmedifferenz (°C) / Wärmestrom (W)

    Hinweis: Wir gehen hier davon aus, dass die durch den Wärmewiderstand fließende Wärmemenge gleich der Leistungsaufnahme ist, da die Leistungsaufnahme gleich der pro Sekunde erzeugten Wärmemenge ist.

Der elektrische Widerstand gibt an, wie schwierig es für einen Strom ist, in einem Material zu fließen, und der Wärmewiderstand gibt an, wie schwierig es für Wärme ist, durch ein Material zu leiten.

Maximale Sperrschichttemperatur (Tjmax)

Betrachten wir nun die Sperrschichttemperatur, unterhalb derer ein Halbleiterbauelement ordnungsgemäß funktionieren kann.

Der Höchstwert der Temperatur, unter der ein Halbleiterprodukt stabil arbeiten kann, wird als maximale Sperrschichttemperatur (Tjmax) bestimmt. Normalerweise liegt der Wert bei 125°C oder 150°C.
Die Sperrschichttemperatur bezieht sich auf die Temperatur an der PN-Sperrschicht, wird aber auch als Temperatur des Halbleiterchips betrachtet und verwendet.

Verlustleistung des Gehäuses

1.    Wie bereits erwähnt, hat jedes Gehäuse seinen eigenen Wärmewiderstand, der eine Wärmeabstrahlungseigenschaft aufweist, die durch das Gehäuse selbst und die Montageplatte bestimmt wird und durch die folgende Formel dargestellt wird

        θja = (Tj - Ta) / Pd.

 Pd kann berechnet werden, indem diese Formel in die folgende umgewandelt wird:

        Pd ＝ (Tj - Ta) / θja

2.    Jedes Halbleiterprodukt hat eine maximale Sperrschichttemperatur (Tjmax), die sich auf den maximalen thermischen Wert bezieht, unter dem ein Halbleiterbauelement ordnungsgemäß funktionieren kann.

Aus diesen beiden Überlegungen ergibt sich für jedes Gehäuse ein Höchstwert für die Leistungsaufnahme bzw. den internen Verlust, damit ein auf dem Gehäuse montierter Halbleiterchip seine maximale Sperrschichttemperatur (Tjmax) nicht überschreitet.

Dies wird als Verlustleistung eines Gehäuses (Pd max) bezeichnet. Dieser Wert kann mit der folgenden Formel berechnet werden, wobei Pd und Tj in der obigen Formel durch Pdmax und Tjmax ersetzt werden:

Pdmax = (Tjmax - Ta) / θja

        Pdmax: Verlustleistung
        Tjamax: Maximale Sperrschichttemperatur
        Ta: Umgebungstemperatur
        θja: Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht- und Umgebungstemperaturen

Um die bisher genannten Punkte zusammenzufassen, bezieht sich die Verlustleistung eines Gehäuses auf:

1. den Höchstwert der Leistungsaufnahme oder der internen Verlustleistung, bei dem das in das Gehäuse eingebaute Bauelement (hier ein Linearregler als Power-Management-IC) ordnungsgemäß arbeiten kann

2. den Höchstwert der Leistungsaufnahme oder der internen Verlustleistung, unter dem ein Halbleiterprodukt niemals mehr Wärme erzeugt als seine maximale Sperrschichttemperatur (Tjmax).

Beispiele für die Verlustleistung

Die Abbildungen 3-1 und 3-2 zeigen den Wärmewiderstand eines auf einer bestimmten Platine montierten Gehäuses und die Verlustleistung eines Halbleiterbauelements mit Tjmax von 125°C bei einer Umgebungstemperatur von 25°C. Sie enthalten auch ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Verlustleistung und Umgebungstemperatur zeigt.

Abbildung 3-1. Verlustleistung Beispiel 

Abbildung 3-2. Verlustleistung Beispiel 2

In Abbildung 3-1 sind die Wärmewiderstände und die Verlustleistung unter den folgenden drei Bedingungen angegeben:

  1.  keine Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte

  2. montiert auf einer zweilagigen Platine mit einem Verdrahtungsgrad von 90%

  3.  montiert auf einer zweilagigen Platine mit einem Verdrahtungsgrad von 50%.

Abbildung 3-2 zeigt den Wärmewiderstand und die Verlustleistung bei Verwendung einer vierlagigen Leiterplatte mit einem höheren Verdrahtungsgrad als den oben genannten.

Aus diesen Daten geht hervor, dass der Wärmewiderstand und die Verlustleistung eines Gehäuses weitgehend von der Platine abhängen, auf der das Gehäuse montiert ist. Außerdem scheint es, dass eine Erhöhung des Verdrahtungsgrads und der Anzahl der Lagen einer Montageplatte den Wärmewiderstand verringert und die Verlustleistung erhöht.

Wie in den Abbildungen 3-1 und 3-2 erläutert, möchte ich hier betonen, dass der Wärmewiderstand und die Verlustleistung, die in den einzelnen Gehäusebeschreibungen angegeben sind, Messergebnisse unter bestimmten Bedingungen sind.

Wärmewiderstand und Verlustleistung variieren, wenn sich das Layout-Muster und das Kupferverhältnis einer Leiterplatte ändern. Daher sollten die Werte in den Datenblättern oder anderen technischen Dokumenten nur als Referenzwerte betrachtet werden.

Die Verlustleistung eines auf einer tatsächlichen Leiterplatte montierten Gehäuses sollte anhand des für die Leiterplatte geschätzten Wärmewiderstands berechnet werden. Wenn Sie die tatsächliche Verlustleistung Ihrer Platine im Detail wissen wollen, sollten Sie IC-Hersteller wie uns fragen.

Verlustleistung und Eingangs-Ausgangs-Spannungsdifferenz

Ich habe bereits im Abschnitt "Wirkungsgrad eines Linearreglers" gezeigt, dass die interne Verlustleistung Pd eines Reglers mit der folgenden Formel berechnet werden kann:

Pd = (Vin - Vout) × Iout + Vin × Icc

Anstelle der obigen Formel kann die interne Verlustleistung eines CMOS-basierten Linearreglers berechnet werden, da sein Ruhestrom in einem sehr großen Strombereich, in dem die Verlustleistung berücksichtigt werden muss, zu vernachlässigen ist:

Pd = (Vin - Vout) × Iout

Ich werde die Formel zur Berechnung der Verlustleistung noch einmal zeigen:

Pdmax = (Tjmax - Ta) / θja

Sie müssen die Beziehungen zwischen diesen Formeln hinreichend berücksichtigen und die Produkte und Gehäuse von Linearreglern entsprechend auswählen.

Zusammenfassung

In dieser Folge habe ich die Verlustleistung von Linearreglern erläutert, denn sie ist ein wichtiger Faktor, der ausreichend erklärt werden muss.

In den nächsten fünf aufeinanderfolgenden Ausgaben werde ich über DC/DC-Wandler sprechen.

• Folge 1: Was sind Power-Management-ICs?
   
• Folge 2: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Teil 1
   
• Folge 3: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Fortsetzung
   
• Folge 4: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Fortsetzung
   
• Folge 5: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 1
   
• Folge 6: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 2
   
• Folge 7: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 3
   
• Folge 8: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 4 
   
• Folge 9: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 5