Wie misst man möglichst genau die reale Sperrschichtemperatur?

Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Messung der Sperrschicht- oder „Die”-Temperatur eines Bauteils. Manche eignen sich besser, manche weniger gut. Bei der ersten Möglichkeit wird die klassische Gleichung für die Sperrschichttemperatur verwendet:

TJ = TA + PD RthJA

Die Sperrschichttemperatur TJ ergibt sich aus der Summe der Umgebungstemperatur TA und dem Produkt aus aufgenommener Leistung PD und Temperaturwiderstand RthJA (thermischer Widerstand „Junction-Ambient“) des Bauteils. Nach meiner Erfahrung ist diese Berechnung eher konservativ und liefert Sperrschichttemperaturen, die je nach Hersteller des Bauteils etwa 30 bis 50% höher sind als die tatsächlich vorhandene Sperrschichttemperatur.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines Thermoelements. Diese Methode liefert bei größeren Gehäusen gute Ergebnisse. Bei kleineren Gehäusen gibt es jedoch Probleme. Zum Beispiel bieten kleine Gehäuse wie SC70 oder SOT nicht genügend Platz um ein Thermoelement zu befestigen. Selbst wenn man ein Thermoelement am Gehäuse montieren könnte, würde sich seine thermische Masse als Kühlkörper verhalten und somit zu fehlerhaften Messergebnissen führen.

Eine dritte Methode ist der Einsatz einer Infrarotkamera (IR). Bei dieser Möglichkeit wird die Außentemperatur des Gehäuses exakt gemessen. Man erhält bei kleineren Gehäusen einen guten Wert für die „Die“-Temperatur. In den meisten Fällen beträgt die Differenz zwischen Gehäuse und Sperrschichttemperatur nur wenige Grad Celsius. Ein Nachteil dieser Methode ist der hohe Preis von IR-Kameras.

Die letzte Möglichkeit ist die preiswerteste und genaueste Methode zur Messung der „Die”-Temperatur. Bei dieser Option dient eine auf dem Chip befindliche Diode als Temperatursensor. Aus der Halbleiterphysik wissen wir, dass sich bei einem konstanten Strom durch einen pn-Übergang die Sperrschichtspannung über die Temperatur um etwa –1 bis –2 mV/°C ändert. Durch Charakterisierung der Diodenspannung über die Temperatur kann der Anwender die Diodenspannung messen und die „Die“-Temperatur bestimmen. Der Trick besteht darin, eine Diode zu finden, die als Sensor am Operationsverstärker genutzt werden kann.

Die meisten Operationsverstärker haben für solche Zwecke keine bestimmte Diode. Allerdings kann man diese Aufgabe mit vorhandenen Dioden meistern. Die meisten, wenn nicht alle, der heutigen Verstärker besitzen interne ESD-Schutzdioden sowie Eingangsschutzdioden. ESD-Dioden befinden sich zwischen den Ein- und Ausgängen von Operationsverstärkern und der Versorgungsspannung. Daher ist der Zugang zu diesen Dioden möglich. So können sie – wie beschrieben – zur Messung der „Die”-Temperatur von Operationsverstärkern verwendet werden.

Eine genaue Beschreibung der Verwendung von ESD-Dioden als Temperatursensoren befindet sich im Artikel „ESD Diode Doubles as Temperature Sensor“.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices. Bildquelle: IRF

Anforderungen an das digitale Powermanagement

Ein optimales Powermanagementsystem charakterisiert nicht nur die Systemleistung. Mit ihm lassen sich Spannungssequenzen optimieren und der Stromverbrauch minimieren. Fertigungstests können einfach durchgeführt und Fehlerursachen schnell erkannt werden. Der Beitrag gibt einen Überblick zu Hauptforderungen an moderne Powermanagementsysteme.

Die Entwickler moderner Netzwerkausrüstungen sind gezwungen den Datendurchsatz und die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu steigern und außerdem zusätzliche Funktionen und Eigenschaften zu integrieren. Auch der Energieverbrauch des Gesamtsystems soll bei gleich bleibender physikalischer Größe gesenkt werden. Diese „grünen“ Netzwerksysteme bestehen aus vielen ASICs, DSPs und Prozessoren mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen (30 bis 40 unterschiedliche Versorgungsspannungen sind nicht ungewöhnlich).

In Datenzentren muss der gesamte Leistungsbedarf durch Umterminierung (rescheduling) des Datenflusses (work flow) und Umverteilen von Arbeiten an nicht ausgelastete Server reduziert werden. Nicht benötigte Server werden abgeschaltet. Dazu muss man den Leistungsbedarf der Endanwender kennen. Ein optimal entwickeltes digitales Powermanagementsystem (PMS) versorgt den Nutzer mit diesen Daten zum Leistungsverbrauch.

Elemente einer Stromversorgungsbaugruppe mit Mehrfachspannungen

Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachversorgungsspannungen
Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachver-sorgungsspannungen

Ein großes Board mit Mehrfachversorgungsspannungen besteht aus einem isolierten Intermedia-Bus-Converter (IBC), der die –48 V von der Backplane auf eine Zwischenbusspannung (intermediate bus voltage – IBV) wandelt, typisch 12 bis 3,3 V, und über die Karte verteilt. Einzelne Point-of-Load-(POL)-Gleichspannungswandler wandeln diese Zwischenbusspannung (IB) auf die benötigten Versorgungsspannungen herunter, die typische Stromnennwerte von 1 bis 120 A von 5 bis 0,6 V haben (Bild 1).

Die POLs können als eigenständige Module ausgeführt sein oder sind Lösungen, die aus Gleichspannungscontrollern mit dazugehörigen Spulen, Kondensatoren und MOSFETs bestehen. Diese Versorgungsspannungen sind hinsichtlich des sequenziellen Einschaltens der Versorgungen, der Spannungsgenauigkeit, ausreichender Spannungsmargen und der Überwachung sehr sensibel.

Digitales Powermanagement

Powermanagement-Bausteine werden ständig weiterentwickelt. Die Powermanagementschaltung darf jedoch nicht zu viel der Leiterplattenfläche beanspruchen. Sie muss zudem robust und einfach einzusetzen sein. Die PM-Funktionen (Power Management) wurden in der Vergangenheit mit zahlreichen ICs realisiert, wie FPGAs, Sequenzer, Supervisors, D/A-Wandler und Margin-Controller.

Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung
Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung

Der LTC2978 kombiniert diese Funktionen in einem Baustein, der mit weiteren Bausteinen über eine Taktleitung und optionale gemeinsame Fehlerleitungen zusammengeschaltet ist und bis zu 72 Versorgungsspannungen mit einem einzigen Segment eines I²C-Busses steuern kann. Nachfolgend werden einige der Schlüsselanforderungen von derartigen Powermanagementsystemen untersucht.Neuere Powermanagement-ICs kombinieren mehrere Funktionen und können bis zu acht unterschiedliche Versorgungsspannungen ansteuern. Bild 2 zeigt als Beispiel einen Kanal des digitalen Powermanagement-ICs LTC2978, der einen Gleichspannungswandler steuert. Solche Lösungen können autonom arbeiten oder mit einem Host-Prozessor kommunizieren, um Befehle zu übermitteln, die Steuerung zu übernehmen und um Reports telemetrisch zu übertragen.

Neue Steuersprache für große Boards mit Mehrfachversorgungsspannungen

Die Befehlssprache PMBus wurde entwickelt, um die Bedürfnisse von großen Mehrfachversorgungsspannungssystemen zu erfüllen. Der PMBus ist ein offenes standardisiertes Powermanagementprotokoll mit einer vollständig definierten Befehlssprache, die die Kommunikation mit Leistungswandlern, Powermanagementbausteinen und System-Hostprozessoren in einer Stromversorgung vereinfacht. Zusätzlich zum definierten Satz von Standardbefehlen können in PMBus-kompatible Bausteine auch proprietären Befehle implementiert sein, um spezielle Funktionen zu bieten.

Die Standardisierung der Befehle und des Datenformats ist ein großer Vorteil für diejenigen, die diese Baugruppen produzieren. Das Protokoll ist über die serielle Standard-SMBus-Schnittstelle implementiert und ermöglicht das Programmieren, Steuern und die Echtzeitüberwachung der Leistungswandler. Die Standardisierung der Befehlssprache und des Datenformats erlaubt eine vereinfachte Entwicklung von Firmware und ihre Wiederverwendung, was für die Entwickler in einer verkürzten Markteinführung ihrer Powersysteme resultiert.