Teholähteiden pitää olla entistä integroidumpia. Usein elegantein ratkaisu on valita uudenlainen kotelotyyppi teholähteen komponentteihin.

Artikkelin kirjoittaja Edward Ong vastaa keski- ja suuritehoista teholähteiden markkinoinnista Power Integrationsissa. Nykyisessä tehtävässään hän on toiminut neljän vuoden ajan. Aiemmin Edward työskenteli Emerson Network Powerilla 10 vuoden ajan vastaten uusien tuotteiden lanseerauksesta. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Mapuan filippiiniläisestä Mapuan teknologiainstituutista sekä liiketoiminnan tutkinto Phoenixin yliopistosta.

Markkinoille on tulossa uusia IC-koteloita, jotka tuovat monia etuja vanhempiin tehopiirien koteloihin verrattuna. Siinä missä perinteinen 30 watin teholähde oli toteutettu mosfeteilla TO-220-kotelossa, jäähdytyslevyllä ja erillisellä SO-8-koteloidulla ohjaimella, tänään mosfet ja ohjainpiiri on yhdistetty yhteen, moderniin IC-koteloon, joka käyttää piirikortin kuparijohtimia jäähdytyselementteinä parantaen sen lämpöominaisuuksia. Tällaiset uudet komponentit parantavat tuotteen suorituskykyä ja alentavat sen kustannuksia ilman, että valmistajan tarvitsee investoida uusiin tuotantolaitteisiin tai erikoisprosesseihin päästääkseen hyödyntämään uusia suunnitelmia.

Ohuempi profiili

Yksi esimerkki uuden sukupolven tehopiirien koteloista on Power Innovationsin eSIP (single-in-line), jonka lämpöimpedanssi on yhtä matala kuin perinteisen TO-220:n, mutta jonka 10 millimetrin korkeus on vain puolet TO-220:n korkeudesta. Tämä formaatti sopii ihanteellisesti ohuempiin elektroniikkalaitteisiin kuten LCD-näyttöihin, litteisiin televisioihin ja digipäätteisiin.

Muihin eSIP:n etuihin kuuluvat TO-220:n kaltainen lämpöimpedanssi koteloliitännässä, lämpöä haihduttava metallikieleke integroidun mosfetin lähteen vieressä, mikä vähentää EMI-kohinaa, ja mahdollisuus käyttää yksinkertaista liittimellä kiinnitettävää jäähdyslevyä, mikä alentaa valmistuskustannuksia ja parantaa luotettavuutta. eSIP voidaan liittää jäähdytyselementtiin nipistimillä, kaksipuoleisella lämpöä johtavalla teipillä tai lämpöä johtavalla liimalla. Muoviklipsejä pitää paikallaan ruuvi ja ne toimivat kotelon etupintaa painamalla. Lämpö johtavat liimat mahdollistavat erilaisten alustojen pysyvän asennuksen, mikä yksinkertaistaa kokoonpanoa.

Yksi Power Integrationsin asiakkaista käyttää L:n muotoon taivutettua versiota eSIP:stä (asennuskorkeus 2,1 mm) valmistaakseen ultraohuen 65 watin teholähteen kannettavalle tietokoneelle. Kun jäähdytyselementti on kiinnitetty Power Integrationsin TOPSwitch-piiriin lämpöä johtavalla liimalla, tuloksena oleva adapteri on vain 15 millimetriä paksu.

Enemmän tilaa

Turvallisuuden ja luotettavuuden takia korkean jännitteen teholähteiden kotelomäärityksissä nastojen etäisyyksillä on tärkeä merkitys. 90-264 voltin AC-virralla toimiva kytkinteholähteessä (switch-mode) on useita korkean jännitteen terminaaleja, jotka vaativat asianmukaisen tilan ja eristyksen. Nastojen väleistä tulee yhä tärkeämpiä kun teholähdettä käytetään ympäristöissä, joissa on epäpuhtauksia ilmassa, joissa nastojen ja tyynyjen (pad) välien pitää olla pidempiä. Turvallisuusstandardi UL60950 määrittelee kahden johtavan nastan välisen minimietäisyyden tai piirikortin pintojen välisen etäisyyden.

Pesukoneen teholähde on tyypillinen sovellus, joka toimii pölyn ja kosteuden keskellä. Vierekkäisten korkeajännitteisten nastojen siltaaminen näiden epäpuhtauksien takia voi aiheuttaa ennenaikaisia toimintahäiriöitä. Koneissa, jotka edelleen käyttävät erillistä mosfetia standardissa TO-220-kotelossa tätä riskiä yritetään yleensä pienentää eristyslevyllä tai päällysteellä, mutta nämä ovat aikaa vieviä tuotantovaiheita, jotka lisäävät prosessin kustannuksia.

Jotkut kodinkonevalmistajat hyödyntävät nyt Power Integrationsin kehittämiä koteloita päästäkseen eroon hankalista tuotantovaiheista. Tämä johtuu siitä, että PI:n koteloissa nastojen ja tyynyjen väli on pitkä, ja siksi pinta- ja ilmavälit ovat parempi kuin TO-220-koteloissa.

Kuvat 1 ja 2 vertaavat graafisesti nastoitusta ja piirikortin tyynyjen etäisyyksiä TO-220:n ja Power Integrationsin kehittämien koteloiden välillä. Punaiset viivat ilmaisevat UL60950-määritysten minimivaatimuksia eristyksille. Viivan yläpuolella olevat kotelot vastaavat tai ylittävät UL60950:n arvot ilma- ja pintaväleille. (Koteloa voidaan kuitenkin käyttää vaikka sen nastojen ja tyynyjen eätisyydet ovat UL60950-määrityksiä lyhyempiä, kunhan laitteet läpäisevät vaaditut turvallisuustestit.)

Kuva 1. Eri kotelotyyppien ilmavälien vertailut.

Kuva 2. Eri kotelotyyppien pintavälien vertailut.

Käyttämällä eDIP-, PDIP-8- tai SMD-8-koteloita laitevalmistajat ovat voineet päästä yleisten luotettavuus- ja turvamääritysten yläpuolelle, ja lisäksi pystyneet alentamaan teholähteiden korkeutta ja pienentämään niiden kokoa.

eDIP-kotelosta on tullut erityisen hyödyllinen ratkaisu kodinkoneiden 40-wattisille ja sitä pienempitehoisille teholähteille, koska sen kanssa ei tarvitse käyttää ulkoista jäähdytyselementtiä. eDIP-kotelossa nastojen toinen rivi liitetään integroituun mosfetin lähteeseen (joka tuottaan ison osan lämmöstä). Juottamalla nämä nastata piirikortin kuparialueeseen piirikortista itsestään tulee jäähdytyselementti. Esimerkiksi RDK-242 - 12-volttinen, 30 watin teholähde - joka toimii universaalista tuloalueesta käyttämällä eDIP-koteloitua TOPSwitch-JX TOP266VG-piiriä voidaan istuttaa piirilevyllä vain 2 x 4,8 tuuman alaan ilman metallista jäähdytyselementtiä. TOPSwitch-JX -piiri on tyypillinen Power Integrationsin integroitu ratkaisu: se säilyttää käytännössä vakioisen hyötysuhteen laajalla kuorma-alueella ilman erikoisia toimintamoodeja. Piirin 132 kilohertsin kytkentätaajuus (toisin kuin erillisen mosfetin 70-100 kilohertsin taajuus) myös osaltaan pienentään muuntimen kokoa.

Kuva 3. Piirikortin komponenttipuoli.

Kuva 4. Piirikortin juotospuoli.

Suojautuminen ilman johtavilta epäpuhtauksilta

Tuuletinjäähdytteiset teholähteet ovat toinen sovellusalue, jossa PI:n kotelot tuovat paremman luotettavuuden pidemmän nasta- ja tyynyvälin ansiosta. Esimerkiksi datakeskuksissa palvelinten teholähteet voivat mennä toimintakyvyttömiksi imiessään sisäänsä ilman epäpuhtauksia kuten metallipiikkejä (whiskers). Nämä takertuvat teholähteiden piirikorteille aiheuttaen oikosulkuja. Erityisen riskin palvelimien teholähteille muodostavat sinkkipiikit, jotka muodostuvat sinkkipäällysteisten lattialaattojen sisäpuolelle (joita käytetään kohotetuissa lattioissa). Nämä pääsevät ilmaan huoltotöiden yhteydessä.

TO-220-koteloita käyttävien suunnittelujen pelastus on lisätä ratkaisuun eristävä vaippa tai muotoiltu päällyste. Mutta PI:n pitkälle mietity kotelot ovat yksinkertaisempi ratkaisu. Samanlaisia etuja saavat kaikki tuotteet, joissa ilma kulkee teholähteen läpi. Esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista tuuletinjäähdyteisistä teholähteistä näkyy kuvassa 5. Johtavat epäpuhtaudet voivat päätyä teholähteisiin ilmastointireikien kautta.

Kuva 5. Kaupallisesti tarjolla olevia tuuletinjäähdytteisiä teholähdeyksiköitä.

On selvää, että nämä älykkäästi koteloidut integroidut tehopiirit tarjoavat merkittäviä etuja teholähteiden suunnittelijoille sekä piirilevytilan että suorituskyvyn osalta, mutta yllättäen niillä päästään myös eroon joistakin konstikkaista tuotantovaiheista. Ehkäpä se kaikkein käytännöllisin suunnitteluratkaisu on valita kaikkein elegantein ratkaisu.

Lisätietoa Power Integrationsin erilaisista IC-koteloratkaisuista ja niiden sovelluskohteista löytyy osoitteesta http://www.powerint.com/en/design-support/package-information.