Auswirkung unterschiedlicher Kupferdicken auf die Kühlung eines SMD-Spannungsreglers
Gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Francesco P. Volpe Professor für Mikrocomputertechnik und Digitaltechnik an der Hochschule Aschaffenburg haben wir die Auswirkung von unterschiedlichen Kupferlagenzahl und Kupferdicken auf die Kühlung eines SMD-Spannungsreglers gemacht. Das dazu gemachte Experiment, wird im Folgenden erläutert:
Möchte man ein linear geregeltes Netzteil aufbauen, steht man sofort vor der Frage, wie man die Verlustwärme am linearen Spannungsregler ableitet. Weshalb dieses Problem auftritt, wird an einem einfachen Design gezeigt:
Es soll ein linear geregeltes Netzteil mit einer Ausgangsgleichspanung von 24 V und einem maximalen Strom von 0,25 A entwickelt werden. Ferner sollen hautsächlich Bauteile in SMD zum Einsatz kommen. Ein solches Netzteil ist in Bild 1 zu sehen. Dabei handelt es sich um ein reines Prinzipschaltbild.
Bild 1: Linear geregeltes 24V-Netzteil.
Als Startpunkt wird die Ausgangsspannung gewählt und arbeitet sich in Richtung Transformator vor. Ausgehend von 24 V Ausgangspannung müssen vor dem Spannungsregler 3 V mehr anliegen. Diese sogenannte Dropout-Spannung benötigt der Spannungsregler um zu arbeiten. Über den Brückengleichrichter verliert man zusätzlich die Durchlass-Spannung von zwei Dioden, also ca. 1 V (es wurden Schottky-Dioden verwendet). Damit muss der Transformator an der Sekundärseite 24V+3V+1V=28V liefern. Das ist dann die Spitze-Spitze-Spannung. Die Ausgangsspannung von Transformatoren wird üblicherweise als Effektivwert angegeben. Die berechnete Spitze-Spitze-Spannung von 28V muss noch durch den Faktor 1,4142 (Wurzel aus 2) dividiert werden. Man erhält somit eine effektive Sekundärspannung von 28V/1,4142=19,8V. Es wird ein Transformator benötigt, der bei einer Netzspannung von 230V eine Ausgangsspannung von ca. 19,8V liefert. Leider ist das nicht die ganze Wahrheit. Die Netzspannung kann 230V+/-23V betragen. Also muss der Transformator bei der minimalen Netzspannung von 203V bereits 19,8V am Ausgang liefern. Somit wird ein 24V-Transformator gewählt. Dieser ist in der Lage, auch die minimale Spannung von 19,8V bei geringer Netzspannung zu liefern.
Wie sehen die Spannungsverhältnisse bei dem gewählten Transformator nun aus? Dieser wird eine Spitze-Spitze-Spannung von 24V x 1,4142 = 33,94V am Brückengleichrichter bereit stellen. Nach dem Brückengleichrichter werden es immer noch 32,94V sein (1V weniger wegen zwei leitender Schottky-Dioden). Der Spannungsregler wird eine Verlustleistung von Pv=(32,94V – 24V)x0,25A=2,24W umsetzen, die in Form von Wärme abgeben wird. Dazu wird der Regler, der in SMD ausgeführt ist und ein SOT-263 Gehäuse besitzt, die Wärme an das Kupfer der Leiterplatte abführen. Zur Messung, wie warm der Spannungsregler wird, wurden Messungen durchgeführt (siehe Bild 2). Als Last wurde ein einstellbarer Widerstand verwendet und für die Schaltung aus Bild 1 wurden drei Leiterplatten hergestellt, die sich in der Lagenzahl und Kupferdicke unterscheiden (siehe Tabelle 1). Anschließend wurden alle drei Schaltungen auf den unterschiedlichen Leiterplatten gemessen. Dazu wurde am Eingang des Spannungsregler 10V und der Ausgang mit 0,25A belastet. Damit ist sichergestellt, dass alle drei Messungen mit exakt der gleichen Verlustleistung von 2,5W durchgeführt wurden. Die Erwärmung des Spannungsregler und der Leiterplatte wurde mit einer IR-Kamera aufgenommen. Die Ergebnisse sind in den Bilder 3a bis 3c zu sehen: Bei der einseitigen Leiterplatte steht dem Spannungsregler weniger Kupferfläche zur Abführung der Wärme zu Verfügung und erwärmt sich auf ca. 88°C. Die Kupferfläche beträgt bei dieser Leiterplatte ca. 1.000mm2 (siehe Bild 3a). Bei der zweiseitigen Leiterplatte mit einer Kupferdicke von 35µm sind beide Lagen über 70 Vias miteinander verbunden. Dadurch werden Teile der Wärme auch auf die untere Lage geleitet und die zur Verfügung stehende Kupferfläche ist ca. doppelt so groß (ca. 2.160mm2). Es muss aber beachtet werden, dass durch die Vias die thermische Anbindung nicht optimal ist. Der Spannungsregler erwärmt sich auf knapp 74,5°C (siehe Bild 3b). Schließlich ist in Bild 3c die Messung für die zweiseitige Leiterplatte mit einer Kupferdicke von 70µm gezeigt. Hier kann sich aufgrund des stärkeren Kupfers die Wärme besser ausbreiten und der Spannungsregler erwärmt sich auf ca. 69,8°C.
Bild 2: Messaufbau. Ein Trennstelltrafo wurde verwendet, um die Netzspannung zwischen 203V und 253V einzustellen.
Tabelle 1: Messungen mit unterschiedlichen Kupferlagen und -dicken
| Leiterplatte | Kupferlagen | Kupferdicke / µm |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 35 |
| 2 | 2 | 35 |
| 3 | 2 | 70 |
Die Leiterplatte 1 ist mit einem Fräsbohrplotter und Leiterplatte 2 und 3 sind bei Eurocircuits hergestellt worden.
Bild 3a: IR-Bild der einseitigen Leiterplatte mit 35µm Kupferdicke.
Bild 3b: IR-Bild der zweiseitigen Leiterplatte mit 35µm Kupferdicke.
Bild 3c: IR-Bild der zweiseitigen Leiterplatte mit 70µm Kupferdicke.
Fazit:
Zur Kühlung von SMD-Spannungsregler wird eine große Kupferfläche benötigt. Diese kann auch durch eine zweilagige Leiterplatte erfolgen, indem die zwei Kupferlagen mit vielen Vias durchkontaktiert werden, um die Wärme auf die untere Kupferlage zu bringen. Mit dieser Maßnahme konnte die Erwärmung des Spannungsreglers von 88°C auf 74,5°C gesenkt werden. Die Erhöhung der Kupferdicke von 35µm auf 70µm und damit des Querschnitts der Fläche brachte eine weitere Temperatursenkung auf 69,8°C.
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