【導(dǎo)讀】從事高效、緊湊式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計藝術(shù)的是一群精英工程師，他們對轉(zhuǎn)換設(shè)計相關(guān)物理學(xué)原理和相關(guān)數(shù)學(xué)知識有著深入的理解，還擁有豐富的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)。憑借對波特圖、麥克斯韋方程組以及極點(diǎn)和零點(diǎn)的深入理解，他們可以打造出優(yōu)雅的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計。然而，IC設(shè)計師通常會回避棘手的散熱問題——這項工作通常屬于封裝工程師的職責(zé)范圍。
要在高功耗負(fù)載點(diǎn)(POL)調(diào)節(jié)器周圍成功實(shí)現(xiàn)散熱管理，就需要選擇正確的調(diào)節(jié)器。今天我們就來說說如何通過選擇正確的調(diào)節(jié)器，達(dá)到簡化電路板設(shè)計師工作的目的。
在POL轉(zhuǎn)換器中，專用IC之間的空間有限，因此散熱是個大問題。POL調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生熱量，因?yàn)椋壳埃┻€沒有電壓轉(zhuǎn)換的效率能達(dá)到10%。受結(jié)構(gòu)、布局和熱阻影響，封裝會變得多熱？封裝的熱阻不僅會提高POL調(diào)節(jié)器的溫度，還會增加PCB及周圍組件的溫度，因而會增加系統(tǒng)散熱機(jī)制的復(fù)雜性、尺寸和成本。。。。
PCB上的DC-DC轉(zhuǎn)換器封裝主要有兩種散熱方式：
通過PCB散熱
如果轉(zhuǎn)換器IC采用表貼封裝，則PCB上的導(dǎo)熱性銅通孔和隔層會從封裝底部散熱。如果封裝對PCB的熱阻很低，采用這種散熱方式足矣。
增加氣流
利用冷氣流去除封裝的熱量（更準(zhǔn)確地說，熱量被轉(zhuǎn)移到與封裝表面接觸的快速運(yùn)動的較冷空氣分子中）。
當(dāng)然還有被動式散熱法和主動式散熱方法，但為簡化討論，我們將它們視為第二類的子集。
面對上升的組件溫度，PCB設(shè)計師可以從標(biāo)準(zhǔn)散熱工具箱里去找常用的工具，比如增加銅，加裝散熱器，使用更大、更快的風(fēng)扇，也可以簡單地增加空間——使用更多PCB空間，增加PCB上組件之間的距離，或者增加PCB層的厚度。
任何這些工具都可以用在PCB上，使系統(tǒng)溫度維持在安全限值以內(nèi)，但是使用這些補(bǔ)救措施會降低最終產(chǎn)品在市場上的競爭優(yōu)勢。產(chǎn)品（如路由器）可能需要使用更大的外殼，才能在PCB上為組件留出必要的間隔空間；如果加裝速度更快的風(fēng)扇以增加氣流，結(jié)果可能會增加噪聲。這可能會使最終產(chǎn)品在市場上失去優(yōu)勢，因?yàn)槠髽I(yè)的競爭優(yōu)勢體現(xiàn)在緊湊性、計算能力、數(shù)據(jù)速率、效率和成本等方面。
切勿僅憑功率密度來判斷POL調(diào)節(jié)器
市場上有多種因素要求我們完善電子設(shè)備的散熱性能。最為明顯的是，即使產(chǎn)品尺寸不斷縮小，性能也會持續(xù)提升。例如，28 nm至20 nm和亞20 nm級的數(shù)字器件需要較大功耗才能達(dá)到性能要求，因?yàn)閯?chuàng)新設(shè)備設(shè)計師要用這些小型工藝生產(chǎn)更快、更小、更安靜、更高效的器件。從這一趨勢可以得出的明顯結(jié)論是POL調(diào)節(jié)器必須提高功率密度：(功率)/(體積)或(功率)/(面積)。
不足為奇的是，在有關(guān)調(diào)節(jié)器的文獻(xiàn)中，功率密度一般被當(dāng)作一項重要指標(biāo)。較大的功率密度可使調(diào)節(jié)器脫穎而出——當(dāng)設(shè)計師從眾多調(diào)節(jié)器中進(jìn)行選擇時可以作為參考指標(biāo)。40 W/cm2POL的調(diào)節(jié)器必然優(yōu)于30 W/cm2的調(diào)節(jié)器。
產(chǎn)品設(shè)計師想把更高的功率塞進(jìn)更緊湊的空間中——乍一看，超高的功率密度數(shù)值似乎是實(shí)現(xiàn)最快、最小、最安靜、最高效的產(chǎn)品的最佳途徑，就如用馬力比較汽車性能一樣。但是，功率密度在實(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計方面到底有多重要？可能不如你想像的重要。
POL調(diào)節(jié)器必須符合其應(yīng)用的要求。選擇POL調(diào)節(jié)器時，必須確保其具備在PCB上完成任務(wù)的能力，因?yàn)闊崃刻幚砑瓤赡艹删蛻?yīng)用，也可能毀掉應(yīng)用。以下是針對POL調(diào)節(jié)器的逐步選擇流程建議，其中突出了熱性能的重要性：
忽略功率密度數(shù)值
功率密度指標(biāo)忽略了熱衰減問題，但該問題對真實(shí)有效功率密度的影響要大得多。
檢查調(diào)節(jié)器的熱衰減曲線
配有完整文檔并且技術(shù)指標(biāo)齊全的POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該配有對應(yīng)的圖形，其中標(biāo)示了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流風(fēng)速下的輸出電流。數(shù)據(jù)手冊應(yīng)該展示POL調(diào)節(jié)器在真實(shí)工作條件下的輸出電流能力，以便從熱性能和負(fù)載電流性能的角度判斷調(diào)節(jié)器的適用性。是否符合系統(tǒng)的典型和最大環(huán)境溫度和氣流風(fēng)速要求？記住，輸出電流熱衰減與器件的熱性能相關(guān)。二者密切相關(guān)，同等重要。
效率考慮
是的，效率不是第一考慮因素。獨(dú)立使用時，效率結(jié)果可能無法準(zhǔn)確體現(xiàn)DC-DC調(diào)節(jié)器的熱特性。當(dāng)然，效率值對于計算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功率損耗和結(jié)溫是必不可少的。效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關(guān)的其他熱數(shù)據(jù)結(jié)合使用。
例如，效率為98%的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器是非常不錯的；如果它的功率密度值也非常出色，無異于錦上添花。與效率更低、功率密度更低的調(diào)節(jié)器相比，你會買它嗎？精明的工程師應(yīng)該問問看似不重要的2%效率損失有什么影響。在運(yùn)行過程中，這些功耗會對封裝溫度的升高產(chǎn)生什么樣的影響？在60°C環(huán)境溫度以及200 LFM（線性英尺/分）的風(fēng)速下，高功率密度型高效調(diào)節(jié)器的結(jié)溫有多高？不要只看25°C室溫下的典型值。極溫下的最大值和最小值是多少：-40°C、+85°C或+125°C？高功率密度下，封裝熱阻會升高到非常高的水平使結(jié)溫快速超過安全工作溫度嗎？效率很高但價格昂貴的調(diào)節(jié)器要求多少衰減？衰減輸出電流值會不會削弱輸出功率性能，從而使器件的額外成本失去意義？
考慮POL調(diào)節(jié)器冷卻的便利性
數(shù)據(jù)手冊中的封裝熱阻值是模擬和計算器件結(jié)溫、環(huán)境溫度和外殼溫度的關(guān)鍵。由于表貼式封裝中會有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板，所以，必須在數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明有關(guān)熱量測量的布局指引和討論結(jié)果，以減少系統(tǒng)原型開發(fā)過程出現(xiàn)的突發(fā)情況。
設(shè)計精良的封裝應(yīng)該通過表面高效、均勻地散熱，從而消除可能導(dǎo)致POL調(diào)節(jié)器性能出現(xiàn)衰減的熱點(diǎn)。如上所述，PCB負(fù)責(zé)吸收和路由來自表貼式POL調(diào)節(jié)器的大部分熱量。隨著強(qiáng)制氣流散熱方式在當(dāng)今的高密度和高復(fù)雜度的系統(tǒng)中日漸流行，設(shè)計精良的POL調(diào)節(jié)器也應(yīng)該利用這一免費(fèi)的冷卻機(jī)會，為MOSFET、電感等發(fā)熱部件散熱。
把熱量從封裝頂部引至空氣中
高功率開關(guān)POL調(diào)節(jié)器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出電壓。在非隔離式降壓POL調(diào)節(jié)器中，器件采用電感。電感和相關(guān)開關(guān)元件（如MOSFET）在DC-DC轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生熱量。
大約十年前，封裝技術(shù)取得顯著進(jìn)步，使得包括磁體在內(nèi)的整個DC-DC調(diào)節(jié)器電路均可被設(shè)計和安裝在稱為模塊或SiP的超模壓塑封裝中。在該超模壓塑封裝中，產(chǎn)生的大部分熱量都被通過封裝底部路由至PCB。試圖改善封裝散熱能力的任何常規(guī)做法（比如在表貼封裝頂部加裝一個散熱器）都會增大封裝尺寸。
幾年前，一種新型模塊封裝技術(shù)被開發(fā)出來，利用氣流輔助冷卻。在該封裝設(shè)計中，一個散熱器被集成到模塊封裝當(dāng)中并經(jīng)嵌件注塑處理。在封裝內(nèi)部，散熱器底部直接連接MOSFET和電感，散熱器的頂面則是一個平面，裸露在封裝頂部。借助這種新型封裝內(nèi)散熱技術(shù)，用氣流即可使器件快速冷卻下來。
采用垂直模式：以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調(diào)節(jié)器
POL調(diào)節(jié)器中的電感的大小取決于電壓、開關(guān)頻率、電流處理性能及其結(jié)構(gòu)。在模塊化設(shè)計中，DC-DC電路（包括電感）被超模壓塑并密封在塑料封裝中，與IC類似；電感而非任何其他組件決定封裝的厚度、體積和重量。電感也是一個重要的熱源。
把散熱器集成到封裝中有助于將來自MOSFET和電感的熱量傳導(dǎo)至封裝頂部，從而散發(fā)到空氣、冷板或無源散熱器中。在可以輕松將較小的低電流電感裝進(jìn)封裝塑料模具材料的情況下，這種技術(shù)非常有效；但在POL調(diào)節(jié)器需要采用大型高電流電感的情況下，由于要把磁體裝進(jìn)封裝就必須擴(kuò)大其他電路組件的間距，會大幅增大封裝PCB占位面積，所以其有效性會大打折扣。為了既保持較小的占位面積又改進(jìn)散熱性能，封裝工程師開發(fā)了另一種技術(shù)——垂直、堆?；蚍Q3D（圖1）。
圖1. 高功率POL調(diào)節(jié)器模塊運(yùn)用3D（垂直）封裝技術(shù)升高電感位置并使電感作為散熱器暴露在氣流下。剩下的DC-DC電路裝配在電感下方的襯底上，既能減少需要的PCB面積，又能改善熱性能。
采用裸露堆疊式電感的3D封裝：保持較小的占位面積，提高功率，完善散熱
較小的PCB占位面積、更高的功率和更好的散熱性能——有了3D封裝（一種新型POL調(diào)節(jié)器構(gòu)造方法，見圖1），可以同時實(shí)現(xiàn)這三個目標(biāo)。LTM4636是一款μModule®調(diào)節(jié)器，板載DC-DC調(diào)節(jié)器IC、MOSFET、支持電路和一個大型電感，可減少輸出紋波，提供最高40 A的負(fù)載電流，輸入電壓為12 V，精密調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為0.6 V至3.3 V。4個LTM4636器件并聯(lián)可以通過電流共享方式提供160 A的負(fù)載電流。封裝的占位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調(diào)節(jié)器LTM4636-1，可以檢測過溫和輸入/輸出過壓條件，并且能斷開上行電源或斷路器以保護(hù)自己及其負(fù)載。
功率至上者可以計算LTM4636的功率密度，并對計算得到的數(shù)值感到滿意——但如前所述，功率密度數(shù)值并非全部。這款μModule調(diào)節(jié)器還能給系統(tǒng)設(shè)計師的工具箱帶來其他顯著優(yōu)勢：卓越的DC-DC轉(zhuǎn)換效率和無與倫比的散熱能力成就出色的散熱性能。
為了盡量減小調(diào)節(jié)器的占位面積(16 mm × 16 mm BGA)，將電感抬高并固定在兩個銅引線框架上，以便把其他電路組件（二極管、電阻、MOSFET、電容、DC-DC IC）裝在其下方的襯底上。如果將電感裝在襯底上，μModule調(diào)節(jié)器可以輕松占用超過1225 mm2而非256 mm2的PCB面積（圖2）。
圖2. 作為一款完整的POL解決方案，LTM4636堆疊式電感兼任散熱器之職，可實(shí)現(xiàn)卓越的散熱性能，具有占位面積小巧的特點(diǎn)。
借助堆疊式電感結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計師既可打造出緊湊的POL調(diào)節(jié)器，同時還可享有卓越的散熱性能。與其他組件不同，LTM4636中的堆疊式電感未采用超模壓塑（密封）封裝，而是直接暴露在氣流下。電感外殼的形狀采用圓角設(shè)計，以提高空氣動態(tài)性能（減少對氣流的阻礙）。
圖3. LTM4636的模擬散熱行為顯示，熱量可以被輕松轉(zhuǎn)移到暴露在氣流下的電感封裝上。
散熱性能和效率
主體是16 mm × 16 mm × 1.91 mm超模BGA封裝。LTM4636的電感堆疊于超模成型部分的頂部，從BGA焊球（共144個）底部到電感頂部的封裝總高度為7.16 mm。
除了從頂部散熱以外，LTM4636還采用了專門設(shè)計，可以高效地把來自封裝底部的熱量散發(fā)到PCB。這款器件有144個BGA焊球，高電流在GND、VIN和VOUT專用庫中流動。這些焊球共同充當(dāng)PCB的散熱器。LTM4636經(jīng)過優(yōu)化，可以同時散發(fā)來自封裝頂部和底部的熱量，如圖3所示。
即使在較大轉(zhuǎn)換比、12 V輸入/1 V輸出、40 A (40 W)的全負(fù)載電流和200 LFM的標(biāo)準(zhǔn)氣流條件下，LTM4636封裝的溫度也只會比環(huán)境溫度（25°C至26.5°C）高40°C。圖4所示為LTM4636在這些條件下的熱圖。
圖4. 調(diào)節(jié)器在40 W下的熱性能結(jié)果表明，溫度只會提高40°C。
圖5所示為輸出電流熱衰減結(jié)果。在200 LFM下，LTM4636的性能非常出色，可輸出40 A的全電流，環(huán)境溫度最高為83°C。20 A半電流衰減只會出現(xiàn)在環(huán)境溫度達(dá)到110°C時。這樣，只要有氣流，LTM4636都能在高容量下運(yùn)行。
圖5. 熱衰減表明在83°C最高環(huán)境溫度、200 LFM下，全電流可達(dá)40 A
圖6所示高轉(zhuǎn)換效率主要?dú)w功于高性能MOSFET和LTM4636超強(qiáng)的性能。例如，12 V輸入電源降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)：
- 95%，12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，25 A
- 93%，12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.8 V，40 A
- 88%，12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1 V，40 A
圖6. 多種輸出電壓下的高DC-DC轉(zhuǎn)換效率。
帶熱平衡的140 W可擴(kuò)展式4A × 40A μModule POL調(diào)節(jié)器
一個LTM4636的額定輸出負(fù)載電流為40 A。在電流共享模式（或并聯(lián)）下，2個LTM4636可以支持80 A，4個可以支持160 A。通過并聯(lián)LTM4636的方式提高電源電流非常簡單；只需復(fù)制和粘貼單個調(diào)節(jié)器的占位面積即可，如圖7所示（提供符合和占位面積）。
圖7. 并聯(lián)LTM4636設(shè)計起來非常簡單。只需復(fù)制一個通道的布局即可
借助LTM4636的電流模式結(jié)構(gòu)，可以在多個40 A模塊之間實(shí)現(xiàn)精確電流共享。在精密電流共享模式下，電流會把熱量均勻地分布在各個器件上。圖8所示160 A調(diào)節(jié)器有4個μModule模塊。在滿足這些指標(biāo)下，所有器件的工作溫度都能相互平衡，確保任何單個器件都會過載或過熱。這就極大地簡化了散熱機(jī)制的設(shè)計。
圖8. 并行運(yùn)行的4個LTM4636之間的精確電流共享，在160 A應(yīng)用中，溫度僅升高40°C。
圖9. 帶4個μModule模塊的140 W調(diào)節(jié)器的效率。
圖10所示為完整的160 A設(shè)計。注意，LTM4636無需時鐘器件即可相互反相工作——包括時鐘和相位控制。多相工作模式下可以減少輸出和輸入紋波電流，從而減少所需輸入和輸出電容的數(shù)量。在圖10中，4個LTM4636相互反相90°。
圖10. 這款140 W的調(diào)節(jié)器搭載4個并行運(yùn)行的LTM4636，采用精確電流共享模式，在160 A應(yīng)用中，12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為0.9 V輸出電壓的效率非常出色
結(jié)論
為密集型系統(tǒng)選擇POL調(diào)節(jié)器，僅僅檢查器件的額定電壓和額定電流是不夠的。必須評估器件封裝的熱特性，因?yàn)榇隧椫笜?biāo)決定著冷卻成本、PCB的成本以及最終產(chǎn)品的尺寸。使用3D（也稱為堆疊、垂直技術(shù)）CoP封裝，可以將高功率POL模塊調(diào)節(jié)器放在較小的PCB空間中，但更重要的是，可以實(shí)現(xiàn)效率冷卻。LTM4636是從這種堆疊式封裝技術(shù)受益的第一個μModule調(diào)節(jié)器系列。作為一款以堆疊式電感作為散熱器的40 A POL μModule調(diào)節(jié)器，其效率高達(dá)95%至88%，全負(fù)載下溫度最多升高40°C，PCB占用面積只有16 mm × 16 mm。
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