El encapsulado para electrónica de potencia ha evolucionado desde el sencillo plegado del metal hasta materiales avanzados y diseño termomecánico, y desde una fuente de alimentación aislada hasta una gestión integrada de alimentación.

La reducción del tamaño del sistema gracias a las frecuencias de conmutación más elevadas y la miniaturización de los semiconductores dieron un impulso inicial a esta tendencia. Sin embargo, las mejoras más recientes también han dependido de avances en el diseño termomecánico, especialmente de componentes de gestión de alimentación.

Más allá de la caja
Las últimas décadas han contemplado enormes avances en la miniaturización de los semiconductores. Durante los 30 años transcurridos entre 1982 y 2012, los procesos disponibles en el mercado para la fabricación de lógica CMOS han disminuido el tamaño de nodos de 1,5 μm a nodos de 22 nm (Figura 1). El consiguiente incremento de la densidad funcional —superior a 4600:1—has alterado el proceso de diseño de un producto electrónico, no solo en el interior de los núcleos de cálculo o en los subsistemas de memoria sino para todo el producto.

Al inicio del citado período, los productos electrónicos proporcionaban generalmente una baja densidad funcional y presentaban unas demandas modestas de potencia. Los diseños de las fuentes de alimentación recurrían a componentes discretos y a métodos de refrigeración lejos de ser óptimos. Si bien las eficiencias de alimentación eran bajas para los estándares actuales, eran suficientes dado los bajos requisitos de potencia de sus productos y el gran tamaño de la carcasa.

Entre los ejemplos mejor conocidos de estos diseños que se siguen utilizando a día de hoy se encuentran las fuentes de alimentación en caja plateada (silver-box) que alimentan los ordenadores de sobremesa. Por ejemplo, una ATX12V de 400 W se basa en un diseño principalmente discreto (Figura 2). Los disipadores de calor individuales refrigeran los MOSFET de potencia y los rectificadores de salida pero el diseño térmico del conjunto da como resultado unos gradientes térmicos elevados que resultan problemáticos a elevadas temperaturas ambientales. Con una eficiencia típica del 80%, el formato de 138 x 86 x 140 mm proporciona una densidad de potencia de tan solo 0,24 W/cm3. Las fuentes ATX que cumplen los criterios 80-plus platinum casi duplican la cifra hasta 0,42 W/cm3 pero su densidad de potencia sigue siendo insuficiente y no son prácticas para la mayoría de aplicaciones en oficinas centrales y centros de datos.

La progresión que ha seguido la miniaturización de los semiconductores ha obligado a introducir cambios en las arquitecturas del subsistema de alimentación. Los CI fabricados con nodos de proceso de menor tamaño exigen tensiones de funcionamiento cada vez más reducidas y unas tolerancias más ajustadas de la tensión de alimentación. Las mayores densidades funcionales incrementan las corrientes de alimentación y la alta variabilidad de la necesidad de recursos aumenta enormemente la dinámica de la corriente de carga. Bajo estas condiciones de la carga, los diseños que separan las fuentes de alimentación de sus cargas mediante longitudes significativas de cobre no pueden ofrecer las prestaciones que exigen estos CI de geometría reducida.

El atractivo formato brick
Surgieron diversas estructuras alternativas como intentos de optimizar los subsistemas de alimentación para diferentes configuraciones de las cargas. Por ejemplo, las aplicaciones con largos tiempos de funcionamiento, como las tarjetas de línea de comunicaciones, sustituyeron las grandes e ineficientes fuentes con múltiples salidas por arquitecturas de alimentación distribuida. Estos diseños se basan en convertidores CA/CC redundantes con una sola salida para asegurar que la fiabilidad de la tensión distribuida, que generalmente es de 48 V, cumpla los requisitos del sistema en cuanto a tiempo de funcionamiento. Las tarjetas de línea suelen incorporar convertidores de tipo brick seguidos por un determinado número de reguladores no aislados en el punto de carga (point of load, POL) para alimentar recursos individuales.

Los subsistemas de alimentación básicamente discretos y con refrigeración forzada por aire presentan superficiales desiguales para la fuente de aire frío, dando como resultado un caudal de aire turbulento que puede provocar la aparición de sobras térmicas y puntos calientes. Los convertidores con encapsulado de tipo brick utilizan compuestos de impregnación para obtener dispositivos fundamentalmente isotérmicos. Dentro del encapsulado, los dispositivos de potencia se acoplan térmicamente a una placa de base de aluminio, obteniendo así una sola superficie de refrigeración. La refrigeración puede producirse por conducción, convección forzada de aire o una combinación de ambas.

La superficie de la placa de base proporciona una gran superficie de contacto para el montaje de un disipador de calor. Este diseño termomecánico permite alcanzar una potencia de salida máxima de 600 W con un encapsulado de 117 x 55,9 x 26 mm y un disipador de 12,7 mm (incluido) para una densidad de potencia de 3,5 W/cm3, lo cual supone una mejora de una orden de magnitud respecto a los diseños en caja plateada con carcasa cerrada.

Debido al continuo aumento de las densidades funcionales del producto, el formato brick ha dado paso a versiones con un tamaño fraccional —medio, cuarto y octavo de brick—y las generaciones sucesivas han proporcionado una capacidad de potencia en aumento. Las superficies de refrigeración cada vez más pequeñas del brick fraccional han constituido un desafío desde un punto de vista térmico para los diseños de sistemas y han elevado las densidades funcionales y de potencia (Figura 3). Este desafío se ha visto acentuado en aplicaciones cuyas temperaturas ambientales típicas iban en aumento, como es el caso, por ejemplo, de conjuntos de servidores y centros de comunicaciones.

Mejoras en la refrigeración
En la actualidad la densidad funcional de la mayoría de aplicaciones electrónicas hacen del diseño térmico una parte importante del desarrollo de nuevos productos. La demanda de corriente y la dinámica de la corriente que caracterizan a la mayoría de productos exige que el subsistema de gestión de alimentación forme parte del diseño funcional, lo cual supone romper la tradición que consideraba los subsistemas como objetos autónomos.

Con cargas eléctricas—disipadores de calor—y componentes para gestión de potencia (1-η disipadores) colocados en las placas del sistema, es mayor el desafío con una mayor temperatura de funcionamiento: el exceso de calor reduce la fiabilidad de los componentes electrónicos. Además, los diseñadores deben tenerlo en cuenta a la hora de seleccionar las especificaciones de los componentes de potencia para su funcionamiento a temperaturas elevadas de forma que, sin métodos efectivos para eliminar el calor, el diseño de las etapas de potencia es sobredimensionado dando como resultado sistemas más grandes, pesados y caros.

De ahí que, si bien haya sido tan importante un avance como las tecnologías de encapsulado brick, y si bien los formatos brick siguen cumpliendo su función desde el punto de vista de la sencillez, la industria ha crecido hasta necesitar dispositivos de gestión de alimentación aún más densos, más allá del alcance de la refrigeración pura con una sola cara.

Un ejemplo de encapsulado avanzado que mejora el proceso de potencia y las prestaciones es la tecnología de convertidor encapsulado en encapsulado (Converter housed in Package, ChiP) de Vicor. Los dispositivos basados en ChiP aprovechan configuraciones simétricas que sitúan dispositivos disipadores en ambas caras de una placa de circuito impreso central. Un encapsulador térmicamente conductivo transfiere el calor a las superficies superior e inferior, duplicando así en la práctica la superficie de refrigeración relativa la huella de la placa en el dispositivo (Figura 4). Con un diseño apropiado de la placa del sistema, el calor añadido se puede conducir también a través de los contactos eléctricos.

Una combinación de alta eficiencia—97,5% de pico para convertidores de bus de 380 a 12 V—y el diseño térmico simétrico con materiales avanzados puede suministrar 1,5 kW. Incluyendo disipadores de calor y un ventilador, un montaje de 40 x 40 x 100 mm ofrece una densidad de potencia de 9,4 W/cm3 (Figura 5).
 
Tecnologías avanzadas de encapsulado como ésta proporcionan técnicas de gestión térmica 3-D para formatos de montaje superficial o montaje por inserción. Los dispositivos magnéticos integrados promueven diseños que solo necesitan unos pocos componentes externos, ahorrando así tiempo del ciclo de diseño, superficie en la placa del circuito y costes en el montaje del producto.

El encapsulador promueve una transferencia eficiente del calor junto con un nivel de aislamiento de seguridad acorde con los requisitos de gestión de alimentación de alta tensión y los estándares internacionales de seguridad. Esto permite aplicar la misma tecnología de encapsulado a una amplia variedad de funciones de gestión de alimentación. Entre éstas se encuentran la conversión CA/CC con corrección del factor de potencia; conversión de bus aislado; conversión CC/CC; regulación reductora, elevadora y reductora-elevadora; y multiplicación de corriente POL. Una sola tecnología de encapsulado aplicable a todas las tareas de gestión de alimentación, desde la etapa de entrada hasta POL, también puede simplificar el diseño termomecánico del sistema al unificar los  perfiles del dispositivo y las características térmicas.

Las capacidades y escalado varían entre los diferentes fabricantes de componentes de potencia, así que consulte con atención la oferta de cada compañía. En el caso de los componentes basados en ChiP de Vicor, los dispositivos pueden conseguir perfiles finos de 4,7 mm y huellas de 6 x 23 mm a 61 x 23 mm, y están en plena evolución. Pueden alcanzar una corriente de 180 A y tensiones de funcionamiento de 430 V, y estos valores van en aumento. La compañía ha demostrado su capacidad para suministrar en esta tecnología de encapsulado de hasta 1,5 kW, y está previsto que esta cifra también se vea aumentada.

En aplicaciones de menor potencia como los convertidores POL, los encapsulados de huella reducidas y bajo perfil proporcionan a los diseñadores de sistemas una flexibilidad añadida para minimizar las longitudes de las pistas entre el convertidor de potencia y la carga. Cuando se alimentan recursos digitales caracterizados por elevadas corrientes dinámicas, como ASIC, procesadores o subsistemas de memoria, el bajo nivel de pérdidas y una baja potencia de la inductancia aseguran una ajustada regulación y una rápida respuesta ante transitorios en la carga, que es donde importa.

Este tipo de tecnología de encapsulado también resulta indicada para convertidores con una elevada relación de tensiones, lo cual puede permitir a los diseñadores en algunas aplicaciones a eliminar toda la etapa de conversión, reducir el coste del sistema, aumentar la eficiencia de funcionamiento de la etapa de potencia de extremo a extremo e incrementar la fiabilidad.

Más información