Monimutkaisia järjestelmiä pakataan yhä tiheämpään esimerkiksi datakeskusten ja mobiiliverkkojen konesaleissa. Kun DC-virratkin samalla kasvavat, syntyvä hukkalämpö nousee ongelmaksi monin tavoin. DC-DC-muuntimiin perustuvan tehonsyötön suunnittelussa komponenttien lämmönsieto sanelee paljolti koko DC-jakelun luotettavuuden.

Pienissä järjestelmissä, kuten matkapuhelinverkkojen tukiasemissa, hukkalämpöä joudutaan poistamaan monimutkaisten jäähdytyslevyjen ja tuulettimien avulla. Suurissa datakeskuksissa puolestaan joudutaan hukkalämmön vuoksi maksamaan energiasta kahteen kertaan. Laitteiston kuluttaman sähköenergian lisäksi tarvitaan valtavasti lisäenergiaa laskennan tuottaman hukkalämmön poistamiseksi palvelinkoneista. Datakeskuksissa sovellettavien jäähdytysratkaisujen hallinta voi olla niin monimutkaista, että esimerkiksi Google on kehittänyt koneoppimisalgoritmeihin perustuvan jäähdytysjärjestelmän yhteen konesaliinsa. Energiatehokkuutta on voitu näin parantaa 40 prosenttia.

Liian kuumana käyvä elektroniikka on ongelma, joka käy aina vain haastavammaksi. Mikropiirien käyttöjännitteet ovat alentuneet perinteisestä viidestä voltista 1,8 volttiin ja sen allekin uusimpien nopeiden sirujen ytimissä, jotta päästäisiin entistä pienempään kokoon ja suurempiin kytkentänopeuksiin. Tästä syystä piirien virrankulutus on voimakkaasti kasvanut. Tämän seurauksena lämmöntuotanto on lisääntynyt voimakkaasti itse mikropiireissä mutta myös piirejä tukevissa järjestelmissä kuten DC-DC-muuntimissa, jotka pääosin vastaavat niiden tehonsyötöstä.

Laajoissa järjestelmissä käyttötehoa jaetaan yhä useammin 24 tai 48 voltin välijänniteväylien avulla, jotka perustuvat paikallisiin DC-DC-muuntimiin. Muuntimet syöttävät tarvittavat tasajännitteet kaikkialle, missä niitä tarvitaan. Kun käyttöjännitteet jatkuvasti alenevat, muuntimien on toimittava yhä suuremmalla muuntosuhteella. Tämän seurauksena muunnosten hyötysuhde heikentyy ja lämpökuorma kasvaa.

Pienemmissä järjestelmissä vaihtelevalla nopeudella toimivat tuulettimet voivat olla tehokas keino elektroniikkalaitteiston jäähdyttämiseksi. Valitettavasti tuulettimet tuottavat paljon melua, sisältävät kuluvia osia kuten laakereita ja tarvitsevat ilmansuodattimia, jotka on säännöllisesti vaihdettava. Järjestelmien suunnittelijat taas eivät haluaisi, että laitteisto sisältää osia, jotka vaativat tällaisia rasittavia ylläpitotoimia, sillä ne heikentävät koko järjestelmän luotettavuutta.

Kummassakin tapauksessa voitaisiin saavuttaa suoria kustannussäästöjä, jos järjestelmää voitaisiin luotettavasti käyttää korkeammissa lämpötiloissa. Tästä syystä laajoja palvelinsaleja käyttävät yhtiöt asettavatkin käyttämilleen teollisuusluokan suorittimille normaalia kovemmat lämpötilavaatimukset. Niitä on voitava ajaa tavallista korkeammissa lämpötiloissa luotettavuudesta tinkimättä. Jotta suorittimia voitaisiin käyttää kuumempina, on voitavat ajaa myös niitä tukevia oheispiirejä, kuten DC-DC-muuntimia, tavallista korkeammissa lämpötiloissa.

Lämpötila vaikuttaa komponentteihin

Miten laitteiden suunnittelijat sitten voivat luottaa DC-DC-muuntimiin, joita ajetaan tavallista korkeammissa lämpötiloissa? Tärkeää on se, miten muunninmoduulin sisältämät komponentit reagoivat tavallista korkeampaan käyttölämpötilaan. Peukalosäännön mukaan jokainen kymmenen asteen käyttölämpötilan lasku komponentille spesifioidusta maksimilämpötilasta pudottaa sen elinkaarenaikaisen vikatiheyden aina puoleen. Tämä sääntö perustuu ns. Arrhenius-yhtälöön, joka kuvaa kemiallisten reaktioaikojen muuttumista vaihtelevissa lämpötiloissa sekä diffuusio- että siirtoprosesseissa, joita tapahtuu kaikissa elektroniikan komponenteissa. Yhtälö antaa vankan pohjan keskimääräisen vikavälin ennustamiselle, kun käyttölämpötilaa nostetaan.

Suunnittelijoiden on hyväksyttävä monille komponenteille tavallista heikompi suorituskyky, kun niitä käytetään yli 75°C lämpötiloissa. Taitavimmat suunnittelijat kuitenkin ymmärtävät kaikki eri tyyppisiin komponentteihin vaikuttavat mekanismit ja osaavat näin valita oikean tyyppiset osat, jotka toimivat moitteettomasti käyttökohteen ympäristöoloissa. Esimerkiksi elektrolyyttikondensaattorin elinkaaren ja sen käyttölämpötilan, sähköisen rasituksen sekä elektrolyytin diffuusionopeuden välillä on selvä korrelaatio. Tämä voidaan ilmaista yhtälöllä, joka ennustaa komponentin elinkaaren pituuden:

L = Lr × (Tmax-T) / 5 × (Vmax / V) 2,5

Yhtälössä:

• L on ennustettu elinikä tunteina
• Lr on valmistajan tunteina ilmoittama elinikä maksimilämpötilassa Tmax
• T on kondensaattorin odotettavissa oleva käyttölämpötila
• Vmax on kondensaattorin suurin käyttöjännite
• V on piirin käyttöjännite

Jos suunnittelija käyttää 25 voltin DC-jännitteelle spesifioitua komponenttia 70 prosentilla maksimikäyttöjännitteestä, tavallisen kaupallisen komponentin 2000 tunnin elinikä 85°C käyttölämpötilassa kasvaa 50000 tuntiin 50°C käyttölämpötilassa. Ja jos kohteeseen valitaan komponentti, joka on spesifioitu 105°C lämpötilaan, sen elinikää voidaan venyttää lähes 80 000 tuntiin.

Esimerkki kuvaa hyvin komponenttien valinnan vaikutusta järjestelmän elinikään. Käytännössä monet suunnittelijat pyrkivätkin kokonaan välttämään alumiinipohjaisten elektrolyyttikondensaattorien käyttöä, sillä niiden kuivumisominaisuus on osoittautunut yhdeksi tärkeimmistä syistä, miksi teholähteet yleensä vikaantuvat.

Keraamisten kondensaattorien kohdalla yleisin syy vikoihin johtuu niiden väärästä käsittelystä, mutta liian korkea lämpötila ja sähköinen rasitus vaikuttavat kyllä niihinkin. Nämä vaikutukset riippuvat eristeenä käytettävästä dielektrisestä materiaalista ja tulevat sitä merkittävämmiksi, mitä lähemmäs keraamitekniikan äärirajoja kapasitanssiarvoissa mennään. Tyypillisesti niiden tehollinen kapasitanssiarvo ennemmin alenee kuin varsinaista vikaantumista ilmenee. Esimerkiksi eristeenä käytetään usein X7R-materiaalia, jonka synnyttämän kapasitanssin perustoleranssi on ±15% lämpötila-alueella -55...+125°C. Sen sijaan Y5V-eristemateriaalin tuottama kapasitanssi saattaa pudota jopa yli 80 prosenttia +85°C lämpötilassa. Keraamisen kondensaattorin tehollinen kapasitanssiarvo alenee merkittävästi myös DC-biasjännitteen vaikutuksesta. Tämä johtuu kyseisessä kondensaattorissa käytettävän dielektrisen materiaalin (BaTiO₃) luontaisesta ominaisuudesta.

Samanlaiset näkökohdat koskevat myös tehonsyötössä käytettäviä induktiivisia komponentteja, joiden ominaisuudet riippuvat käytettävästä sydänmateriaalista. Eri materiaaleilla on erilaiset häviöt eri lämpötiloissa riippuen sijoituskohteen ympäristöoloista. Kuitenkin induktiiviset komponentit vikaantuvat aika harvoin, ellei niitä ylikuormiteta vahvasti.

Simulointitietoa netistä

Murata tarjoaa selainpohjaisen SimSurfing-simulontityökalun, jota suunnittelijat voivat käyttää tutkiakseen eritasoisten AC- ja DC-biasjännitteiden, taajuuksien ja lämpötilojen vaikutuksia erityyppisiin kondensaattoreihin ja induktiivisiin komponentteihin. Sen käyttäminen saattaa tuottaa yllättäviä tuloksia. Esimerkiksi kuvassa 1 näkyvä biasjännitteen kuvaaja osoittaa, että 22µF/25VDC XR7-kondensaattorin

tehollinen kapasitanssi on vain 7,75 µF, kun sitä käytetään 15 voltin esijännitteellä. Toisessa ruudussa esitetty lämpötilan nousua kuvaava käyrästö puolestaan osoittaa, että aaltoisuusvirtoja käsittelevien kondensaattorien sisäinen lämpötila saattaa nousta hyvinkin voimakkaasti.

Kuva 1. SimSurfing-simulaattorilla voidaan tutkia keraamisten kondensaattorien ja induktiivisten komponenttien käyttäytymistä vaihtelevissa oloissa. Tässä esitetään 22µF/25V kondensaattorin ominaisuudet.

Suunnittelijat ovat tottuneet ottamaan huomioon puolijohdekomponenttien lämpötilasta riippuvat ominaisuudet piirien suunnittelussa laskemalla niiden liitoslämpötilat lämpöresistanssimalleja käyttäen. Näin liitospinnat saadaan pysymään alle 150-175 °C lämpötilassa. Schottky-diodien ominaisuudet voivat kuitenkin aiheuttaa ongelmia DC-DC-muuntimien suunnittelussa, koska ne alkavat ’vuotaa’ yhä enemmän lämpötilan noustessa. Tämä voi tuottaa suuria lämpöhäviöitä, kun diodeja käytetään negatiivisesti esijännitettyinä, mikä lopulta saattaa johtaa komponentin vaurioitumiseen. Sama koskee DC-DC-muuntimien takaisinkytkentäpiirejä, joissa usein käytetään optoerottimia. Niiden siirto-ominaisuudet voivat iän myötä merkittävästi vaihdella ja aiheuttaa kuumenemista, joka lopulta voi johtaa ennenaikaisiin muunninvikoihin.

Jos suunnittelijat valitsevat synkroniseen tasasuuntaukseen MOSFET-transistorit diodien sijaan, Schottky-diodien ongelmat voidaan välttää - ja samalla parantaa kytkennän energiatehokkuutta. Niihin kytkentöihin, joissa Schottky-diodien välttäminen on vaikeaa, kuten buck-tyyppisten hakkurimuuntimien nolladiodeina, on saatavissa Schottky-diodeista ja optoerottimista myös versioita, jotka sietävät 150°C liitoslämpötiloja. Niiden käyttäminen edellyttää kuitenkin, että kytkennän rakenne ja kaikki muutkin komponentit on valittava huolella, jotta voidaan välttää kuumien pisteiden syntyminen ja varmistaa kaikkien piiriosien luotettava toiminta korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi, kuten piirisuunnitelmissa yleensäkin, muutkin järjestelmän luotettavaan toimintaan vaikuttavat seikat tulee käydä huolellisesti läpi. Esimerkiksi se, että tyypillisen piirilevymateriaalin suurin sallittu käyttölämpötila on yleensä 130°C.

Komponenttien valinta

Yhä tiheämmiksi rakennettujen laskentaklusterien tukemiseksi tarve käyttää DC-DC-muuntimia entistä korkeammissa lämpötiloissa lisääntyy jatkuvasti. Tämä tarkoittaa, että DC-DC-muuntimien suunnittelijat eivät voi enää luottaa rajallisiin spesifikaatioihin, joita komponenttien valmistajat tarjoavat +25°C lämpötiloille, mikäli haluavat tuotteidensa toimivan luotettavasti ja pitkään myös korkeissa lämpötiloissa.

Tällaisten muuntimien tuottamiseksi suunnittelijoiden on opittava entistä syvällisemmin ymmärtämään kunkin komponentin ominaisuudet ja keskittämään piiriratkaisunsa energiatehokkuuden ihanteelliselle alueelle halutulla käyttölämpötila-alueella. Suunnittelijoiden tulee myös selvittää, mistä kytkennän kohdista komponenttien lämpötilaa pitäisi mitata. Lisäksi on varmistettava, että nämä mittaukset tehdään todenmukaisissa ympäristöoloissa niin, että ilman lämpötila ja virtausnopeus vastaavat sovelluksen lopullisen käyttökohteen olosuhteita.

Ainoastaan tässä kuvatun kaltaisia kehitysaskelia noudattaen DC-DC-muuntimien suunnittelijat voivat luottaa pääsevänsä tuotteissaan vankkoihin rakenteisiin, jotka pystyvät toimimaan luotettavasti ja pitkäikäisesti yhä haastavammissa kohteissa esimerkiksi järjestelmissä, joissa sovelletaan erittäin tiheään rakennettuja laskentaklustereita.