V případě napájení typu POL, tzv. point-of-load, se běžně počítá s větším počtem napěťových hladin a zatížením v řádu desítek ampér, které se snadno dostává až přes celé jedno sto ampér, to vše při nízkých výstupních napětích ≤1 V a na menší ploše než tomu bylo kdykoli dříve.

 

 

Zdroje napájení, které musí dodávat vysoké proudy a vejít se přitom do nekompromisních celkových rozměrů, se často posuzují zejména na základě své hustoty výkonu, resp. ve wattech, vztažených na čtvereční centimetr. A je tomu tak: spousta nejmoderněji pouzdřených zdrojů a také diskrétních řešení zdůrazňuje úchvatně vysoké hustoty výkonu, takže to vypadá, jako by výrobci dokázali z malých pouzder „vyždímat“ stále více a více. Musíme však ke vší smůle stále počítat s obrovským problémem, číhajícím za fantasticky rostoucí hustotou, kterým není nic jiného než prostá teplota.

 

Teplotní rozptyl výrazněji vstupuje do hry při vysokých proudových odběrech a malých napětích. V řadě systémů pak navyšování výkonové hustoty ve skutečnosti celý problém jen násobí, protože větší výkony na menší ploše znamenají vyšší hustotu v otázce ztrátového výkonu – více tepla v menším prostoru. Navrhnout na DPS zdroj s vysokým výkonem nemusí být zase tak jednoduché – výsledek musí být pečlivě vyvíjen s ohledem na výkonovou ztrátu a tepelný odpor, dva parametry, které mohou stát u zrodu nebo též rychlého zániku i jinak skvělého regulátoru. Prohlašovat cosi o vysoké hustotě výkonu může sice vypadat působivě, nicméně i takto vzniklé naděje vyzní naprázdno, nebudeme – li s teplem, generovaným napájecím zdrojem, efektivně zacházet.

 

 

Tak třeba obvod LTM4620 řeší otázku skutečné hustoty výkonu „sevřením“ uceleného regulátoru se dvěma výstupy do pouzdra typu LGA o rozměrech 15 mm × 15 mm × 4,41 mm, které bude jedinečně navrženo s cílem minimalizovat tepelný odpor a zjednodušit tím celý související management okolo. Samotné pouzdro pak zahrnuje interně řešený speciální chladič pro účinné odvádění nežádoucího tepla horní a také spodní stranou (viz též obr. 2 níže), čímž umožňuje pracovat pod zatížením maximálními proudy a to i v případě zvýšené teploty okolí.

 

Na obr. 1 vidíme integrovaný obvod LTM4620 o rozměrech pouzdra typu LGA 15mm × 15mm × 4,41 mm. Jediná součástka přitom zajistí dva nezávislé 13 A výstupy (obr. 4), příp. též jeden 26 A výstup (obr. 5). Požadujeme – li něco od 50 A až do více než 100 A, není nic jednoduššího než vzájemně propojit několik prvků LTM4620 (obr. 7).

 

 

 

Struktura LTM4620 byla navržena tak, aby mohla generovat duální nebo též jednoduché výstupy (0,6 V až 2,5 V, resp. 5,5 V) při zachování vysoké hustoty výkonu a jednoduše spravovaných teplotních charakteristik. Na rozdíl od jiných řešení s vysokou hustotou výkonu bude skutečně „soběstačná“ – při zatížení maximálními proudy nevyžaduje žádné obrovské a nepraktické chladiče či jiné způsoby ochlazování s využitím kapalin.

 

 

Obr. 2 zachycuje trojrozměrnou strukturu a také fotografii skutečného vnitřního provedení obvodu LTM4620 při pohledu seshora. Jeho pouzdro se skládá z vysoce tepelně vodivého substrátu BT spolu s odpovídajícími měděnými vrstvami, dimenzovanými na proudové zatížení a s nízkým tepelným odporem vůči systémové desce. Vidíme zde způsob osazení vestavěnými výkonovými MOSFETy s cílem dosáhnout vysoké hustoty výkonu, minimálního odporu vzájemného pospojování a také vysoké tepelné vodivosti vůči oběma stranám: horní a také spodní části prvku. Vše je pak „zastřešeno“ patentově chráněným interním chladičem, přímo navázaným na stacky výkonových tranzistorů včetně indukčností, opět pro efektivní chlazení s využitím horní strany pouzdra.

 

Konstrukce chladiče a také možnosti zapouzdření udržují relativně chladný povrch součástky během provozu, a to dokonce i v případě jednoduše vynuceného toku vzduchu přes horní stranu pouzdra. Bude – li však vyžadováno robustnější řešení, lze samozřejmě k horní odkryté kovové části připojit vnější chladič a dosáhnout tak ještě lepších výsledků v otázce řízení teploty.

 

 

Na obr. 3 vidíme teplotní scan obvodu LTM4620 včetně křivky snižování výkonu pro případ 26 A zdroje (12 V na 1 V). Teplotní nárůst zde bez chladiče a s vynuceným prouděním vzduchu (200 LFM) činí pouhých 35 °C nad teplotou okolí. Z vynesené závislosti vyplývá, že maximálního zatížení dosahujeme až do cca 80 °C, tj. o dost více než v případě 65 °C, naměřených na plnohodnotně pracujícím obvodu termokamerou.

 

Tím se dostáváme ke skutečné podstatě řešení regulačního obvodu s vysokou hustotou výkonu a rozšířenou tepelnou působností k tomu. Jedinečné řešení pouzdra umožňuje součástce nejen zajistit vysoké výstupní výkony v rámci prostorově omezených možností, ale též tak činit bez výraznějšího přispění k celkovému ohřevu, resp. bez potřeby dodatečně snižovat jmenovitou zatížitelnost. Bude – li však kterékoli jiné řešení s vysokou hustotou výkonu schopné tvrdit něco podobného a bez potřeby nákladnějších součástí či strategií pro dodatečný odvod tepla, nemusí se ovšem jednat o nic zas až tak výjimečného.