מארזי הספק תלת ממדיים עבור ממירי מתח ישר למתח ישר להספק נמוך

מייצבי מתח ממותגים, ממירי מתח ישר למתח ישר, לא מבודדים, להספק נמוך וממירי מתח מבודדים צריכים להיות כדאיים מבחינת עלות, למרות הדרישות שנוספות כל הזמן, לביצועים טובים יותר ולצפיפות הספק משופרת. יצרנים הגיבו במהלך הזמן עם ממדים וצורות ששיפרו את הייצור בעלות נמוכה, לעתים עם מספר מזערי של רכיבים, ועם שנאים ומשרנים שהולחמו באופן ידני למעגלים מודפסים מסורתיים. על מנת להקטין את עקבת המעגל המודפס עד למינימום, לעתים קרובות השתמשו בגרסאות של רכיבי SIP לחיבור בחור עובר, על אף שאלו היו עלולים להפוך את ההרכבה למסובכת, שכן נדרש להם עירוב של הלחמת גל או אפילו הלחמה ידנית עם תהליך הלחמה בהתכה חוזרת (reflow) עבור רכיבי SMT האחרים ששימשו במעגל.

על אף שמיליונים של ממירי מתח ישר למתח ישר מסוג זה עם רכיבי חור עובר, עוברים הלחמה מדי שנה, היעד של RECOM לטווח הארוך היה לפתח גרסאות שבהם אפשר לטפל ושאותם אפשר להציב ולהלחים כמו כל רכיב SMT מודרני אחר, אך גם בעלי פרופיל נמוך שיוכל להתאים למוצרים בעלי הממדים הדקים, שקיימים היום. עם זאת, עקבת המעגל עדיין חייבת להישאר קטנה כדי לממש את היתרונות שיש למודול בהשוואה לתכנון עם רכיבים בדידים. על מנת להשיג את המטרה הזו, יש צורך להשתמש בממד בכיוון Z בתכנון מודולים של מייצבים ממירי מתח ישר למתח ישר ממותגים, לא מבודדים, ושל ממירי מתח מבודדים, על ידי שילוב של טכניקות הרכבה תלת ממדיות.

ההתפתחות של מארזי התקנה משטחית של ממירי מתח ישר למתח ישר להספק נמוך

הממירים הראשונים בשוק ממתח ישר למתח ישר במארזי SMT היו פשוט גרסאות של מעגלי חור עובר, שהחורים שבהם מולאו, ועם מוליכים שכופפו לצורות של “כנפי שחף”. הם לא יכולים היו לעמוד בפרופיל הלחמת הגל הרגיל, ולכן נדרשה להם לעתים קרובות הרכבה ידנית. הייתה זו אך התקדמות טבעית, לעבור למארז עם מסגרת מוליכים פנימית ועם חיבורי הלחמה בעלי נקודת היתוך גבוהה, אשר לאחר מכן הוחלף בתהליך של יציקה בהזרקה עם חומר שיכול לעמוד בטמפרטורות של הלחמת גל באינפרה אדום. ואולם, הלחמה ללא עופרת מעלה את טמפרטורות השיא בתנור ההלחמה ליותר מ- 300 מעלות צלזיוס, טמפרטורות שעלולות לפגוע באמינות של החיבורים הפנימיים ובכל מקרה השימוש במסגרת עופרת ובטכניקה של יציקה בהזרקה מותר רק לצורך הוספה של כמה רכיבים בדידים במעגלים פשוטים ביותר, וכל הוספה של מעגל משולב קשה מאוד לביצוע. על מנת למנוע את כל הבעיות הכרוכות בהלחמת גל, פנו היצרנים לייצור של ממירים במסגרת פתוחה, מתוך הנחה שחיבורי ההלחמה הפנימיים של הרכיבים יעברו שוב הלחמת גל, אבל יישארו על המצע שלהם. סיומת הפינים ברכיבי SMT עברו שינוי מ”כנפי שחף” לבלוקים ומוטות ולכדוריות הלחמה ולאחרונה למערכי רשת פינים (LGA). אלו הפכו להיות תקניים כמו תבנית DOSA עבור ממירי SMT להספק גבוה, עם לוחות מעגלים פנימיים בריבוי שכבות וליבות מגנטיות שטוחות, אך גם מתוך מחשבה שזרימת אוויר תתקיים גם במקרים של הספק מוצא מלא. כמודולים, יש למוצרים אלו יתרון ברור על פתרונות ברכיבים בדידים, שאותם לא ניתן להתאים בקלות באותה עקבת מעגל. עם זאת, בהספקים נמוכים, שיקולי עלות מוציאים מכלל אפשרות שימוש יקר במעגלים מרובי שכבות וברכיבים המתאימים, כך שהמצוד אחר פתרון “בסגנון מעגלים משולבים” עודו נמשך.

טכנולוגיות המארזים המבודדים והמארזים שאינם מבודדים משתנות

השימוש במייצב ממותג ממיר ממתח ישר למתח ישר שאינו מבודד התרחב בתצורות של ממירי Buck וממירים מורידי מתח, אשר מלכתחילה החליפו לעתים את מייצבי המתח הליניאריים המסורתיים בעלי “שלושה חיבורים”, אך מעתה שימשו באופן נרחב כמייצבי מתח כניסה גבוה “בנקודת העומס” וסיפקו פסי צבירה למתח נמוך מדויק עבור מעגלים משולבים באינטגרציה גבוהה, כגון רכיבי יע”מ (יחידת עיבוד מרכזית) יחידות GPU (יחידות עיבוד גרפי) והתקני SoC. שוב, כדי לספק יתרון לעומת פתרונות בדידים, מייצב ממותג DC/DC צריך לתפוס עקבת מעגל וגובה בעלי ערך מזערי ולפעול כשהוא לא חם, תוך כדי כך שהוא עומד באופן מדויק בדרישות הייצוב והרעש של מעגלים משולבים מודרניים. משמעות העמידה בממדים קטנים אלו היא נצילות גבוהה, שבעבר אילצה שימוש בתדירות מיתוג נמוכה אשר הביאה לשימוש במשרן גדול במוצא – בדיוק ההפך ממה שנדרש. עם זאת, מוליכים למחצה משופרים, טופולוגיות ממירים וחומרים מגנטיים אפשרו לדחוף את התדירויות לתחום המגה הרץ, תוך כדי שמירה על נצילות מצוינת עם משרן משולב קטן. כך התאפשר למתכנני ממירים להיות יצירתיים ולהגיע עם המארזים למזעור מדהים, גם עם משרן משולב בתוך המארז. לדוגמה, לסדרת RPX של RECOM יש עקבת מעגל של 4.5 מ”מ x 4 מ”מ וגובה של 2 מ”מ במארז QFN, ועם זאת, היא מספקת זרם מוצא של עד 2.5 אמפר בנצילות שיא של יותר מ- 90%. הגרסה ל- 1 אמפר קטנה אף יותר, רק 3 מ”מ x 5 מ”מ x 1.6 מ”מ גובה. צפיפות הספק זו מושגת במבנה עם שבב flip – chip (בעלות נמוכה) על מסגרת מוליכים ומשרן משולב ועם יציקה מעל, עם היתרון הנוסף של לולאות זרם מיתוג הדוקות מחוללות הפרעות EMI נמוכות ביותר, עם צפיפות הספק גבוהה וביצועים חומניים מותאמים באופטימיזציה במארז QFN שאין אפשרות להתחרות בהם עם פתרון ברכיבים בדידים.

איור 1: שבב flip – chip על מבנה של מסגרת מוליכים בסדרת RPX של RECOM

בהספקים גבוהים יותר, הסדרות RPMB / RPMH של RECOM הן דוגמאות לממירים מסוג Buck לממירים ממותגים של מתח ישר למתח ישר במארז LGA של 25 מגעים, משופר מבחינה חומנית (תרמית), בגודל 11.7 מ”מ x 12.19 מ”מ x 3.75 מ”מ גובה. צפיפות הספק זו מושגת עם מעגל מודפס רב שכבתי פנימי, שבו נעשה שימוש בחורי מעבר מחוברים ועיוורים לקבלת מוליכות חום טובה ולשימוש יעיל במקום הזמין עם משרן משולב. המבנה כולל מעגל מודפס בעל ארבע שכבות, מוקף בסיכוך מתכתי בששת הצדדים, לקבלת פליטה נמוכה של הפרעות EMI. למבנה זה יש פרופיל נמוך אבל נדרש לו שטח של קצת יותר מ- 1.4 סמ”ר כדי לאפשר פיזור חום מתאים על מנת שיוכל להעביר הספק מלא בטמפרטורת סביבה של יותר מ- +85º C.

היתרון של תכנון הסדרות RPMB / RPMH של RECOM נעוץ בעובדה שהמבנה המורכב כולו נמצא בתוך המודול. משתמש קצה יכול להשתמש במעגל מודפס של שתי שכבות, שהוא זול, בלי להשתמש בחורי מעבר סגורים, ועדיין יתאפשר לו להשתמש בספק כוח קומפקטי ביותר במארז SMT על המעגל בעל ביצועים גבוהים מבלי שיהיה עליו להשתמש בקירור באוויר מאולץ (מאוורר).

קיימות שלוש סדרות RPM, כולן בתכנון מגעי חיבור זהה כך שאפשר להחליף ביניהן:

איור 2: סיכום מפרטי סדרת RPM/ RPMB/ RPMH של RECOM

אפשר גם לקבל לוחות מעגלי הערכה כדי לאפשר ייצור מהיר של אב טיפוס או כדי לאשר את הביצועים של היישום הסופי.

הדוגמות שתוארו עד כה היו מייצבים ממותגים ממירי מתח ישר למתח ישר לא מבודדים. כאשר נדרש בידוד לפי הגדרת סוכנות הבטיחות, מרווחי זחילת הזרם (creepage) והבידוד מגדירים ממדי X או Y מזעריים. לדוגמה, ביישומים רפואיים עם מתחים של רשת חשמל, יש צורך במרווח זחילת זרם של 8 מ”מ בין הכניסה והיציאה לפי תקן 2 של אמצעי הגנת מטופל (2MOPP). בהינתן ממדי מארז מזעריים אלו, אפשר לנקוט בגישה מסורתית יותר, עם מעגל משולב של שבב פנימי שישמש עבור הספק ובקרה בחיבור חוטים אל מסגרת DVE במארז SOIC–16, ולאחר מכן, עם יציקה רגילה מעל, כמו בחלק R05CTxx של RECOM. השנאי בממיר מתח ישר למתח ישר זה הוא בתכנון משטחי קנייני, בפרופיל נמוך מאוד, והוא מגיע למתח בידוד של 5 קילו וולט חילופין ולבידוד משופר לפי 2MOPP. הגובה הכולל של החלק הוא 2.65 מ”מ בלבד, כך שהוא מתאים ליישומים מסוג כרטיס מאחר שהגובה של הממיר DC/ DC אינו גבוה מכל רכיבי SMT האחרים. R05CTxx של RECOM מספק 500 מילי-ואט עם כניסה של 5 וולט ויציאות של 5 וולט או 3.3 וולט, והוא מתאים במיוחד לאספקת מתח לממשקים מבודדים ביישומים רפואיים ותעשייתיים קריטיים, כשהוא מציע ייצוב הזנה ועומס עם כניסה חיצונית מאופשרת.

איור 3: ממיר מתח ישר למתח ישר לחצי וואט במארז SOIC–16

המטרה של יצירת מייצבי מתח ישר למתח ישר ממותגים לא מבודדים להספק נמוך וממירי מתח מבודדים, שדומים למעגלים משולבים, מושגת כיום בעיקר באמצעות השילוב של מארזים תלת ממדיים חדשניים וטכנולוגיות משרנים משולבים עם שיפורים נוספים של ביצועים וצפיפות הספק, שמצופים עבור העתיד. לחברת RECOM יש טווח של מוצרים שמייצג את מארזי הממירים התלת ממדיים של ממירי מתח ישר למתח ישר מהשורה הראשונה בתבניות מודרניות כדוגמת QFN ו- SOIC–16. אפשר לקבל לוח מעגל להערכה, שמציג את המוצרים שצוינו במאמר זה, ואפשר להזמין אותו בכתובת www.recom-power.com/3dpp (איור 4).

איור 4: לוח מעגל להערכה שמציג את הטכנולוגיה המתקדמת ביותר של מארזי ממירי DC/ DC

RECOM היא חברה שעוסקת בממירי הספק עם תשתית בינלאומית לתכנון ולייצור, בסיסה באוסטריה ובאתרים מרובים באירופה, טייוואן וסין. RECOM מפחיתה את סיכוני שרשרת האספקה עבור הלקוחות שלה באמצעות ייצוג על ידי מפיצים ברחבי העולם, כשהיא מציעה תמיכה לוגיסטית וטכנית מקיפה.

מקורות

[1]        RECOM: www.recom-power.com