設計高效和緊湊的 DC-DC 轉換器的藝術由一組精選的工程師實踐，他們對轉換設計中涉及的物理和支持數學有深刻的理解，并結合了健康的工作經驗。對波德圖、麥克斯韋方程以及對極點和零點的深刻理解融入了優雅的 DC-DC 轉換器設計。盡管如此，IC 設計人員通常會避免處理令人生畏的熱量話題——這項工作通常落在封裝工程師的肩上。

對于精密 IC 之間空間狹小的負載點 （POL） 轉換器，熱量是一個重要問題。POL 穩壓器會產生熱量，因為沒有電壓轉換能達到 100% 的效率（目前）。由于其結構、布局和熱阻抗，封裝會變得多熱？封裝的熱阻抗不僅會提高 POL 穩壓器的溫度，還會提高 PCB 和周圍組件的溫度，從而導致系統散熱安排的復雜性、尺寸和成本。

PCB 上 DC-DC 轉換器封裝的散熱通過兩種主要策略實現：

通過PCB分配

如果轉換器 IC 是可表面貼裝的，PCB 中的導熱銅通孔和層會從封裝底部散發熱量。如果封裝對 PCB 的熱阻抗足夠低，這就足夠了。

添加氣流

冷氣流從包裝中帶走熱量（或者更準確地說，熱量被傳遞到與包裝表面接觸的較冷的快速空氣分子）。

當然，有被動和主動散熱的方法，為了討論的簡單，它們被認為是第二類的子集。

當面對不斷升高的組件溫度時，PCB 設計人員可以使用標準的散熱工具箱來獲取常用工具，例如額外的銅、散熱器或更大更快的風扇，或者只是更多的空間——使用更多的 PCB 空間，增加距離PCB 上的元件之間，或加厚 PCB 層。

這些工具中的任何一個都可以在 PCB 上使用，以將系統保持在安全溫度范圍內，但應用這些補救措施可能會削弱最終產品在市場上的競爭優勢。該產品（例如路由器）可能需要更大的外殼來容納 PCB 上必要的組件分離，或者隨著添加更快的風扇以增加氣流，它可能會變得相對嘈雜。這可能會使最終產品在公司競爭緊湊性、計算能力、數據速率、效率和成本等優點的市場中表現不佳。

圍繞大功率 POL 穩壓器的成功熱管理需要選擇正確的穩壓器，這需要仔細研究。本文展示了穩壓器的選擇如何簡化電路板設計人員的工作。

不要僅以功率密度來判斷 POL 穩壓器

許多市場因素推動了提高電子設備熱性能的需求。最明顯的是，即使產品尺寸縮小，性能也會不斷提高。例如，28 nm 至 20 nm 和亞 20 nm 數字設備通過消耗功率來提供性能，因為創新設備設計人員使用這些更小的工藝來制造更快、更小、更安靜和更高效的設備。這一趨勢的明顯結論是 POL 穩壓器必須增加功率密度：（功率）/（體積）或（功率）/（面積）。

功率密度經常在穩壓器文獻中被引用為標題規范也就不足為奇了。令人印象深刻的功率密度使穩壓器脫穎而出，在從眾多可用穩壓器中進行選擇時，為設計人員提供了可引用的規格。40 W/cm 2 POL 調節器必須優于 30 W/cm 2調節器。

產品設計人員希望將更高的功率擠入更緊湊的空間——最高級的功率密度數字乍一看似乎是通往最快、最小、最安靜和最高效產品的明確途徑，類似于使用馬力比較汽車性能。但是，功率密度對于實現成功的最終設計有多重要？比你想象的要少。

POL 調節器必須滿足其應用的要求。在選擇 POL 穩壓器時，必須確保它能夠在 PCB 上完成這項工作，在 PCB 上，熱量的處理會影響應用的成敗。以下推薦的 POL 穩壓器分步選擇流程為優先考慮熱性能提供了依據：

忽略功率密度數

功率密度規格忽略了熱降額，這對實際的有效功率密度有更大的影響。

檢查調節器的熱降額曲線

一個有據可查和特征化的 POL 穩壓器應該有圖表來指定在各種輸入電壓、輸出電壓和氣流速度下的輸出電流。數據表應顯示 POL 穩壓器在實際工作條件下的輸出電流能力，以便您可以通過其熱和負載電流能力來判斷穩壓器。它是否滿足您系統的典型和最高環境溫度和氣流速度的要求？請記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關。兩者密切相關，同樣重要。

看效率

是的，效率不是首要考慮因素。單獨使用時，效率結果可能無法準確反映 DC-DC 穩壓器的熱特性。當然，計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功耗和結溫需要效率數據。效率值必須與輸出電流降額以及與器件及其封裝相關的其他熱數據相結合。

例如，效率為 98% 的 DC-DC 降壓轉換器令人印象深刻；當它擁有卓越的功率密度數時，效果會更好。您是否通過效率較低、功率密度較低的穩壓器購買它？精明的工程師應該詢問看似微不足道的 2% 效率損失的影響。該功率如何轉化為運行期間的封裝溫升？在 60°C 環境溫度和 200 LFM（每分鐘線性英尺）氣流下，高功率密度、高效穩壓器的結溫是多少？超越在 25°C 室溫下列出的典型數字。在極端情況下測量的最大值和最小值是多少：-40°C、+85°C 或 +125°C？在高功率密度下，封裝熱阻是否升高到結溫超過安全工作溫度？一個效率驚人但價格昂貴的穩壓器需要多少降額？降額的輸出電流值是否會降低輸出功率能力，以至于設備的額外成本不再合理？

考慮冷卻 POL 調節器的難易程度

數據表中提供的封裝熱阻值是模擬和計算器件結溫、環境溫度和外殼溫度升高的關鍵。由于表面貼裝封裝中的大部分熱量從封裝底部流向 PCB，因此必須在數據表中闡明布局指南和有關熱測量的討論，以最大程度地減少系統原型設計期間的意外情況。

一個設計良好的封裝應該有效地在其表面均勻地散熱，消除降低 POL 穩壓器可靠性的熱點。如上所述，PCB 負責吸收和傳遞來自表面貼裝 POL 穩壓器的大部分熱量。隨著當今密集和復雜系統中強制氣流的普遍存在，設計巧妙的 POL 穩壓器也應該利用這種自然冷卻的機會來去除 MOSFET 和電感器等發熱組件的熱量。

將熱量引導至封裝頂部并進入空氣

大功率開關 POL 穩壓器依靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉換為穩定的輸出電壓。在非隔離式降壓 POL 穩壓器中，該器件使用電感器。電感器和伴隨的開關元件，例如 MOSFET，在 DC-DC 轉換過程中會產生熱量。

大約十年前，新的封裝技術使得整個 DC-DC 穩壓器電路（包括磁性元件）能夠設計并安裝在稱為模塊或 SiP 的模制塑料內部，其中模制塑料內部產生的大部分熱量被傳遞到PCB 通過封裝的底部。任何提高封裝散熱能力的傳統嘗試，例如在表面貼裝封裝頂部安裝散熱器，都有助于實現更大的封裝。

幾年前，開發了一種創新的模塊封裝技術，以利用可用氣流來幫助冷卻。在此封裝設計中，散熱器集成到模塊封裝中并包覆成型。在封裝內部，散熱器底部直接連接到 MOSFET 和電感，而散熱器頂部是暴露在封裝頂部的平面。這種新的封裝內散熱技術允許通過氣流快速冷卻設備（例如，請參閱此處的LTM4620 TechClip 視頻）。

走向垂直：使用堆疊電感器作為散熱片的 POL 模塊穩壓器

POL 穩壓器中電感器的尺寸取決于電壓、開關頻率、電流處理及其結構。在模塊方法中，包括電感器在內的 DC-DC 電路被包覆成型并封裝在塑料封裝中，類似于 IC，電感器比任何其他組件更能決定封裝的厚度、體積和重量。電感器也是一個重要的熱源。

將散熱器集成到封裝中有助于將熱量從 MOSFET 和電感器傳導到封裝頂部，在那里可以將熱量散發到空氣、冷板或無源散熱器中。當相對較小的低電流電感器很容易安裝在封裝的塑料模塑料內時，這種技術是有效的，但當 POL 穩壓器依賴于更大和更高電流的電感器時，這種技術就不那么有效了，因為在封裝內放置磁性元件會迫使其他電路元件距離更遠，顯著擴大了封裝的 PCB 占位面積。為了在改善散熱的同時保持小尺寸，封裝工程師開發了另一種技巧——垂直、堆疊或 3D（圖 1）。

【圖1 | 大功率 POL 穩壓器模塊使用 3D（垂直）封裝技術來提升電感器并將其作為散熱器暴露在氣流中。剩余的 DC-DC 電路組裝在電感器下方的基板上，從而最大限度地減少所需的 PCB 面積，同時提高熱性能。］

采用外露堆疊電感器的 3D 封裝：保持小尺寸、增加功率并改善散熱

更小的 PCB 占位面積、更大的功率和更好的熱性能——這三者都可以通過 3D 封裝同時實現，這是一種構建 POL 穩壓器的新方法（圖 1）。LTM4636是一款 μModule 穩壓器，具有片上 DC 至 DC 穩壓器 IC、MOSFET、支持電路和一個大電感器，以降低輸出紋波并提供高達 40 A 的負載電流（從 12 V 輸入到精確調節的輸出電壓范圍） 0.6 V 至 3.3 V。四個并聯運行的 LTM4636 器件可以均流以提供 160 A 的負載電流。封裝的占位面積僅為 16 mm × 16 mm。該系列的另一款穩壓器LTM4636-1，檢測過熱和輸入/輸出過壓情況，并可以使上游電源或斷路器跳閘以保護自身及其負載。

馬力倡導者可以計算出 LTM4636 的功率密度，并安全地吹噓它的數字令人印象深刻——但正如前面所討論的，功率密度數字說明了一個不完整的故事。這款 μModule 穩壓器還為系統設計人員的工具箱帶來了其他顯著優勢：卓越的熱性能源自令人印象深刻的 DC-DC 轉換效率和無與倫比的散熱能力。

為了最小化穩壓器的占位面積 （16 mm × 16 mm BGA），電感器被抬高并固定在兩個銅引線框架結構上，以便可以焊接其他電路組件（二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC-DC IC）在它下面的基板上。如果電感器放置在基板上，μModule 穩壓器可以輕松占據超過 1225 mm2 的 PCB，而不是 256 mm2 的小尺寸（圖 2）。

【圖2 | LTM4636 的堆疊電感器兼作散熱器，以在一個占板面積小的完整 POL 解決方案中實現令人印象深刻的熱性能。］

堆疊電感器結構為系統設計人員提供了緊湊的 POL 穩壓器，并具有出色的熱性能。與其他組件不同，LTM4636 中的堆疊電感器沒有用塑料包覆成型（封裝）。相反，它直接暴露在氣流中。感應器外殼的形狀包含圓角，以改善空氣動力學（最小流量阻塞）。

【圖3 | LTM4636 的建模熱行為表明熱量很容易轉移到暴露在氣流中的電感器封裝。］

熱性能和效率

LTM4636 是一款具有 40 A 能力的 μModule 穩壓器，它受益于 3D 封裝技術或封裝上組件 （CoP），如圖 1 所示。封裝的主體是一個包覆成型的 16 mm × 16 mm × 1.91 mm BGA 封裝。由于電感器堆疊在模制部分的頂部，LTM4636 的總封裝高度（從 BGA 焊球（其中 144 個）底部到電感器頂部）為 7.16 mm。

除了從頂部散發熱量外，LTM4636 還設計用于有效地將熱量從封裝底部散發到 PCB。它有 144 個 BGA 焊球，帶有專用于大電流流過的 GND、VIN 和 VOUT 的組。這些焊球共同充當 PCB 的散熱器。LTM4636 經過優化，可從封裝的頂部和底部散發熱量，如圖 3 所示。

即使在高轉換比、12V 輸入/1V 輸出、40A （40W） 滿負載電流和標準 200LFM 氣流條件下運行，LTM4636 封裝溫度也僅比環境溫度 （25°C） 升高 40°C C 至 26.5°C）。圖 4 顯示了 LTM4636 在這些條件下的熱圖像。

【圖4 | 調節器在 40 W 時的熱結果顯示溫升僅為 40°C。］

圖 5 顯示了輸出電流熱降額結果。在 200 LFM 時，LTM4636 可在高達 83°C 的環境溫度下提供令人印象深刻的 40 A 全電流。半電流、20 A 降額僅在 110°C 的過高環境溫度下發生。這使得 LTM4636 只要有一些氣流可用，就能夠以高容量運行。

【圖5 | 熱降額顯示在高達 83°C 的環境溫度、200 LFM 下提供 40 A 的全電流。］

圖 6 中所示的高轉換效率主要歸功于性能最佳的 MOSFET 和 LTM4636 的強大驅動器。例如，一個 12 V 輸入電源降壓 DC-DC 控制器可實現：

5% 用于 12 V 輸入至 3.3 V、25 A

93% 用于 12 V 輸入至 1.8 V、40 A

12 V 輸入至 1 V、40 A 時為 88%

【圖6 | 各種輸出電壓下的高 DC-DC 轉換效率。］

140 W、可擴展的 4 A × 40 A μModule POL 穩壓器，帶熱平衡

一個 LTM4636 的額定負載電流為 40A。兩個處于均流模式（或并聯）的 LTM4636 可以支持 80A，而四個將支持 160A。使用并聯 LTM4636 升級電源很容易；只需復制并粘貼單穩壓器封裝。

LTM4636 的電流模式架構實現了 40 A 模塊之間的精確電流共享。反過來，精確的電流共享會產生一個電源，使熱量在設備之間均勻分布。圖 8 顯示了一個帶有四個 μModule 的 160 A 穩壓器。具有這些規格的所有設備都在彼此的°C 范圍內運行，確保沒有單個設備過載或過熱。這大大簡化了散熱。

【圖8 | 四個并聯運行的 LTM4636 之間的精密電流共享，導致 160 A 應用的溫度僅升高 40°C。］

【圖9 | 具有四個 μModules 的 140 W 穩壓器的效率。］

圖 10 顯示了完整的 160 A 設計。請注意，LTM4636 無需時鐘器件即可相互異相運行——包括時鐘和相位控制。多相操作降低了輸出和輸入紋波電流，減少了所需的輸入和輸出電容器的數量。這里，圖 10 中的四個 LTM4636 以 90° 異相運行。

【圖10 | 這款 140 W 穩壓器具有四個并聯運行的 LTM4636，具有精密電流共享和 160 A 時的 12 V 輸入至 0.9 V 輸出的高效率。］

結論

為人口密集的系統選擇 POL 穩壓器需要仔細檢查器件的額定電壓和電流強度。對其封裝的熱特性進行評估至關重要，因為它決定了冷卻成本、PCB 成本和最終產品尺寸。3D 技術（也稱為堆疊式垂直 CoP）的進步使大功率 POL 模塊穩壓器能夠適應較小的 PCB 占位面積，但更重要的是，能夠實現高效冷卻。LTM4636 是首個受益于這種堆疊封裝技術的 μModule 穩壓器系列。作為一款采用堆疊電感器作為散熱器的 40 A POL μModule 穩壓器，它擁有 95% 至 88% 的效率，滿載時僅升高 40°C，僅占用 16 mm × 16 mm 的 PCB 面積。

審核編輯：郭婷