設(shè)計(jì)高效和緊湊型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的技巧由一群對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)所涉及之物理學(xué)和支持性數(shù)學(xué)知識(shí)有著深入了解、同時(shí)兼具一定程度之工作臺(tái)經(jīng)驗(yàn)的工程師負(fù)責(zé)實(shí)行。對(duì)于博德圖、麥克斯韋方程組的深刻理解以及針對(duì)極點(diǎn)和零點(diǎn)的關(guān)注融入到了精致的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。然而，IC 設(shè)計(jì)師通常避開了對(duì)令人擔(dān)憂之熱問題的處置，這項(xiàng)工作常常落在封裝工程師的身上。

對(duì)于負(fù)載點(diǎn) (POL) 轉(zhuǎn)換器而言，熱量是個(gè)大問題，這類轉(zhuǎn)換器空間緊湊，容納了很多需要小心對(duì)待的 IC。POL 穩(wěn)壓器之所以產(chǎn)生熱量，是因?yàn)檫€沒有電壓轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到 100%。結(jié)構(gòu)、布局和熱阻能使封裝發(fā)熱到什么程度? 封裝的熱阻不僅使 POL 穩(wěn)壓器的溫度升高，還使 PCB 及周圍組件的溫度升高，因此增大了系統(tǒng)散熱方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。

人們主要通過兩種方法來減少 PCB 上 DC/DC 轉(zhuǎn)換器封裝的熱量：

• 通過 PCB 散熱：如果轉(zhuǎn)換器 IC 能夠表面貼裝，那么 PCB 中能傳導(dǎo)熱量的銅質(zhì)通孔和銅箔層可以從封裝底部散出熱量。如果封裝至 PCB 的熱阻足夠低，那么用這種方法就能夠充分散熱。

• 增加空氣流動(dòng)：冷的氣流可以給封裝散熱 (或者更準(zhǔn)確地說，熱量傳遞到了與封裝表面接觸和溫度更低且快速運(yùn)動(dòng)的空氣分子中)。

當(dāng)然，存在無源和有源散熱方法，為討論簡(jiǎn)便起見，我們把無源和有源散熱方法都?xì)w為上述第二種方法的子集。

當(dāng)面對(duì)組件溫度上升問題時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)師可以在一些標(biāo)準(zhǔn)散熱方法中尋找常用方法：使用更多的銅、散熱器或更大、更快的風(fēng)扇，或者只是更大的空間─增大 PCB 空間和 PCB 上組件之間的距離或加厚 PCB 層。

上述任一方法都可用來在 PCB 上使系統(tǒng)保持在安全溫度限度內(nèi)，但是采用這些方法有可能降低最終產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。最終產(chǎn)品 (例如路由器) 也許因此需要更大的外殼以容許在 PCB 上進(jìn)行必要的組件分隔，或者也許因?yàn)樵黾痈焖俚娘L(fēng)扇以增強(qiáng)空氣流動(dòng)而變得噪聲相對(duì)較大。在各公司憑借緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、效率和成本優(yōu)勢(shì)參與競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)上，這就可能使最終產(chǎn)品顯得較差。

要圍繞大功率 POL 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)成功的熱量管理需要選擇恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器，這需要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)研。本文展示怎樣選擇穩(wěn)壓器才能簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)師的工作。

若干市場(chǎng)因素導(dǎo)致需要改進(jìn)電子設(shè)備的熱性能。最顯然的是：即使產(chǎn)品尺寸在縮小，性能卻不斷改進(jìn)。例如， 28nm 至 20nm 和低于 20nm 的數(shù)字器件消耗更大的功率以提高性能，因?yàn)閯?chuàng)新性設(shè)備的設(shè)計(jì)師運(yùn)用尺寸更小的工藝技術(shù)制造速度更快、更纖巧、噪聲更低和效率更高的器件。從這種趨勢(shì)可以得出顯然的結(jié)論，POL 穩(wěn)壓器必須提高功率密度：(功率)/(體積) 或者 (功率)/(面積)。

在有關(guān)穩(wěn)壓器的文獻(xiàn)中，功率密度常常出現(xiàn)在性能規(guī)格的標(biāo)題中，這并不意外。出色的功率密度能夠使穩(wěn)壓器脫穎而出，當(dāng)設(shè)計(jì)師在大量可用穩(wěn)壓器之中進(jìn)行選擇時(shí)，這樣的功率密度成為可引用的規(guī)格參數(shù)。一個(gè) 40W/cm2 的穩(wěn)壓器一定好于一個(gè) 30W/cm2 的穩(wěn)壓器。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)師要想在空間更加擁擠的情況下提供更大的功率，出色的功率密度數(shù)字會(huì)首先閃現(xiàn)在腦海中，成為實(shí)現(xiàn)最快、最小、最安靜、最高效產(chǎn)品的顯然途徑，如同用馬力比較汽車性能一樣。但是，在實(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計(jì)時(shí)，功率密度有多重要? 重要性比想象的低。

一個(gè) POL 穩(wěn)壓器必須滿足其應(yīng)用的需求。在選擇 POL 穩(wěn)壓器時(shí)，必須確保其能夠在 PCB 上完成任務(wù)，在 PCB 上，熱量處理可能成就該應(yīng)用，也可能毀了該應(yīng)用。以下推薦的一步一步選擇 POL 穩(wěn)壓器的過程就優(yōu)先考慮了熱性能：

• 忽視功率密度數(shù)字：功率密度規(guī)格忽視了熱降額問題，而熱降額對(duì)有效、真實(shí)的 “功率密度” 有相當(dāng)大的影響。

• 查看穩(wěn)壓器的熱降額曲線：一個(gè)詳細(xì)敘述、特征完備的 POL 穩(wěn)壓器應(yīng)該有一些圖形，規(guī)定了在不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時(shí)的輸出電流。數(shù)據(jù)表中應(yīng)該顯示 POL 穩(wěn)壓器在真實(shí)工作條件下的輸出電流能力，以便按照其熱性能和負(fù)載電流能力判斷該穩(wěn)壓器是否合適。它滿足系統(tǒng)的典型和最高環(huán)境溫度及氣流速度要求嗎? 請(qǐng)記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。這兩點(diǎn)密切相關(guān)，同等重要。

• 考慮效率問題：是的，效率不是第一個(gè)需要考慮的問題。當(dāng)單獨(dú)考慮時(shí)，效率值可能不代表準(zhǔn)確的 DC/DC 穩(wěn)壓器熱特性。當(dāng)然，在計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功耗及結(jié)溫時(shí)，需要效率數(shù)字。但是，效率值必須與輸出電流降額以及其他與器件及其封裝有關(guān)的熱量數(shù)據(jù)結(jié)合起來考慮。

• 例如，效率為 98% 的 DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器是令人印象深刻的；當(dāng)該轉(zhuǎn)換器還有出色的功率密度數(shù)字時(shí)，會(huì)令人印象更加深刻。你會(huì)購買這樣的穩(wěn)壓器而不是效率較低、功率密度較低的穩(wěn)壓器嗎? 一位有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)問一問看似不重要的 2% 效率損失的影響。在工作時(shí)，損失的功率怎樣轉(zhuǎn)換成封裝溫度上升? 在 60°C 環(huán)境溫度、200LFM 氣流時(shí)，高功率密度、高效率穩(wěn)壓器的結(jié)溫是多少? 看一看超出所列 25°C 室溫下的典型數(shù)字以外的情況。在 ?40°C、85°C 或 125°C 的極端溫度下測(cè)得的最大值和最小值是多少? 在高功率密度時(shí)，封裝的熱阻上升很高以至于結(jié)溫急劇上升到超過安全工作溫度了嗎? 一個(gè)效率令人印象深刻但是價(jià)格昂貴的穩(wěn)壓器需要降額到什么程度? 降額的輸出電流值限制了輸出功率能力以至于器件的高價(jià)格不再合理了嗎?

• 考慮 POL 穩(wěn)壓器是否易于冷卻：數(shù)據(jù)表中提供的封裝熱阻值是仿真和計(jì)算器件的結(jié)溫、環(huán)境溫度及外殼溫度上升的關(guān)鍵。因?yàn)楸砻尜N裝封裝中的大部分熱量是從封裝底部流向 PCB 的，所以數(shù)據(jù)表中必須給出清楚的布局指南并探討有關(guān)熱量測(cè)量的問題，以在產(chǎn)生系統(tǒng)原型時(shí)最大限度減少意外的發(fā)生。

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的封裝應(yīng)該均勻、高效地通過其表面散出熱量，消除會(huì)降低 POL 穩(wěn)壓器可靠性的熱點(diǎn)。如上所述，PCB 負(fù)責(zé)吸收和送出表面貼裝 POL 穩(wěn)壓器的大部分熱量。但是，在如今組件密集排列的復(fù)雜系統(tǒng)中，普遍采用了強(qiáng)制空氣流動(dòng)，一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的 POL 穩(wěn)壓器還應(yīng)該利用這種“免費(fèi)”的冷卻機(jī)會(huì)，消除 MOSFET、電感器等發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量。

大功率開關(guān) POL 穩(wěn)壓器依靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓。在非隔離式降壓型 POL 穩(wěn)壓器中，器件使用一個(gè)電感器。該電感器和 MOSFET 等伴隨性開關(guān)組件在 DC/DC 轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生熱量。

大約 10 年前，一種新的封裝技術(shù)進(jìn)步使得包括磁性組件在內(nèi)的整個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以設(shè)計(jì)成能夠放入模制塑料封裝中，稱為模塊或 SiP，模制塑料封裝內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大部分通過封裝底部送到 PCB 中。改進(jìn)封裝散熱能力的任何傳統(tǒng)方法都會(huì)導(dǎo)致封裝增大，例如在表面貼裝封裝頂部附著一個(gè)散熱器。

幾年前開發(fā)出了一種創(chuàng)新性模塊封裝方法，該方法利用可用氣流幫助冷卻。這種封裝設(shè)計(jì)將一個(gè)散熱器集成到模塊封裝中并完全模制化。在封裝內(nèi)部，散熱器底部直接連至產(chǎn)生熱量的 MOSFET 和電感器，而散熱器頂部是一個(gè)裸露于封裝頂部的平坦表面。這種新的封裝內(nèi)散熱方法使器件能夠憑借氣流快速冷卻 (如需舉例，請(qǐng)觀看 LTM4620 技術(shù)視頻短片www.linear.com.cn/solutions/4936) 。

POL 穩(wěn)壓器中的電感器的大小取決于電壓、開關(guān)頻率、需要處理的電流及其結(jié)構(gòu)。在模塊化構(gòu)成方法中，包括電感器在內(nèi)的 DC/DC 電路完全模制并密封在一個(gè)塑料封裝中，就像一個(gè) IC 一樣，與其他任何組件相比，電感器對(duì)封裝的厚度、體積和重量的決定性都更大。電感器也是一個(gè)重要的發(fā)熱源。

上述將散熱器集成到封裝中的方法有助于將 MOSFET 和電感器的熱量傳導(dǎo)到封裝頂部，然后可以將熱量散到空氣、冷卻板或無源散熱器中。相對(duì)小型的小電流電感器很容易裝入塑料模制封裝中，這時(shí)這種方法很有效，但是當(dāng) POL 穩(wěn)壓器使用較大型、較大電流的電感器時(shí)，這種方法就不那么有效了，這時(shí)在封裝內(nèi)部放置磁性組件會(huì)迫使其他電路組件分隔得更遠(yuǎn)，從而顯著擴(kuò)大了封裝在 PCB 上的占板面積。為了保持很小的占板面積，同時(shí)改善散熱，封裝工程師開發(fā)出了另一種巧妙的方法：垂直、疊置或 3D (圖 1) 結(jié)構(gòu)。

圖 1：大功率 POL穩(wěn)壓器模塊用 3D (垂直) 封裝技術(shù)升高了電感器，并使電感器裸露于氣流中作為散熱器使用。DC/DC 電路安裝在電感器之下的襯底上，因此最大限度減小了所需占用的 PCB 面積，同時(shí)提高了熱性能。

很小的 PCB 占板面積、更大的功率和更好的熱性能，用 3D 封裝可以同時(shí)獲得這 3 種優(yōu)勢(shì)，3D 封裝是一種新的 POL 穩(wěn)壓器構(gòu)建方法 (圖 1)。LTM4636 是一款 μModule 穩(wěn)壓器，內(nèi)置了 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC、MOSFET、支持性電路和一個(gè)大型電感器，以降低輸出紋波，并從 12V 輸入向精確穩(wěn)定的 3.3V 至 0.6V 提供 40A 負(fù)載電流。4 個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 LTM4636 器件可均分電流，以提供 160A 負(fù)載電流。封裝的占板面積僅為 16mm x 16mm。該系列的另一個(gè)穩(wěn)壓器 LTM4636-1 檢測(cè)過熱和輸入 /輸出過壓情況，可斷開上游電源或斷路器以保護(hù)自身及其負(fù)載。

馬力倡導(dǎo)者可以計(jì)算 LTM4636 的功率密度，而且所得數(shù)字可以安全地標(biāo)榜為令人印象深刻，但是如上所述，功率密度數(shù)字沒有講出完整故事。這種 μModule 穩(wěn)壓器還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來了其他重要益處：令人印象深刻的 DC/DC 轉(zhuǎn)化器效率帶來的卓越熱性能和無與倫比的散熱能力。

為了最大限度減小穩(wěn)壓器的占板面積 (16mm x 16mm BGA)，該電感器被升高了，并固定在兩個(gè)銅引線框架結(jié)構(gòu)上，以便其他電路組件 (二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC/DC IC) 可以焊接到電感器之下的襯底上。如果電感器放置在襯底上，μModule 穩(wěn)壓器很容易就能占用超過 1225mm2 的 PCB 面積，而不是 256mm2 占板面積 (圖 2)。

圖 2：LTM4636 的疊置電感器同時(shí)作為散熱器，該器件作為一個(gè)完整的 POL 解決方案，以很小的占板面積實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的熱性能。

疊置電感器結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了緊湊的 POL 穩(wěn)壓器，并額外提供了出色的熱性能優(yōu)勢(shì)。LTM4636 中的疊置電感器沒有像其余組件那樣，用塑料完全模制 (密封)。相反，電感器直接裸露于氣流中。電感器外殼采用了圓角形狀，以改善空氣動(dòng)力學(xué)特性 (實(shí)現(xiàn)最小流阻)。

圖 3：LTM4636 模制微型模塊的熱性能顯示，熱量輕而易舉地轉(zhuǎn)移到了裸露于氣流中的電感器封裝上。

LTM4636 是一款受益于 3D 封裝技術(shù)或組件級(jí)封裝 (CoP) 的 40A μModule 穩(wěn)壓器，如圖 1 所示。封裝體是一個(gè)完全模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封裝。LTM4636 的電感器疊置在模制封裝的頂部，從 BGA 焊球 (總共 144 個(gè)) 到電感器頂部的總封裝高度為 7.16mm。

除了從頂部散熱，LTM4636 還設(shè)計(jì)為從封裝底部向 PCB 高效率散熱。該器件有 144 個(gè) BGA 焊球成排地專用于大電流流經(jīng)的 GND、VIN 和 VOUT 。這些焊球合起來起到向 PCB 散熱的作用。LTM4636 為從封裝頂部和底部散熱而進(jìn)行了優(yōu)化。

甚至在 12V 輸入 / 1V 輸出這么大的轉(zhuǎn)換比以及 40A (40W) 滿負(fù)載電流和標(biāo)準(zhǔn) 200LFM 氣流的情況下工作，LTM4636 的封裝溫度也僅上升至比環(huán)境溫度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。圖 4 顯示了 LTM4636 在這些條件下的熱像。

圖 4：穩(wěn)壓器在 40W 時(shí)的熱像顯示，溫度僅上升 40°C

圖 5 顯示了輸出電流熱降額結(jié)果。在 200LFM 時(shí)，LTM4636 在環(huán)境溫度高達(dá) 83°C 時(shí)，提供令人印象深刻的 40A 滿電流。20A 半電流降額僅發(fā)生在 110°C 的過高環(huán)境溫度時(shí)。這樣一來，只要有一定的氣流可用，就允許 LTM4636 以高容量運(yùn)行。

圖 5：熱降額圖形顯示，在環(huán)境溫度高達(dá) 83°C 和 200LFM 時(shí)，提供 40A 滿電流

圖 6 所示的高轉(zhuǎn)換效率主要是由高性能 MOSFET 和強(qiáng)大的 LTM4636 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的。例如，一個(gè) 12V 輸入電源降壓型 DC/DC 控制器：

• 在 12V 輸入至 3.3V、25A 輸出時(shí)，實(shí)現(xiàn) 95% 的效率

• 在 12V 輸入至 1.8V、40A 輸出時(shí)，實(shí)現(xiàn) 93% 的效率

• 在 12V 輸入至 1V、40A 輸出時(shí)，實(shí)現(xiàn) 88% 的效率

圖 6：在各種輸出電壓時(shí)的高 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率

一個(gè) LTM4636 規(guī)定提供 40A 負(fù)載電流。兩個(gè)采用電流均分模式 (或并聯(lián)) 的 LTM4636 可支持 80A 電流，而 4 個(gè)并聯(lián)的 LTM4636 支持 160A 電流。用并聯(lián) LTM4636 擴(kuò)展電源很容易：簡(jiǎn)單地拷貝和粘貼單個(gè)穩(wěn)壓器布局即可，如圖 7 (符號(hào)和布局可用) 所示。

圖 7：放置并聯(lián) LTM4636 很容易。簡(jiǎn)單地復(fù)制單通道布局即可。

LTM4636 的電流模式架構(gòu)在 40A 構(gòu)件之間實(shí)現(xiàn)精確的電流均分。精確的電流均分又產(chǎn)生一個(gè)在器件之間均勻分散熱量的電源。圖 8 顯示，在 4 個(gè) μModule 組成的 160A 穩(wěn)壓器中，所有器件運(yùn)行時(shí)相互之間的溫度差都在 1°C 之內(nèi)，從而確保每個(gè)器件都不會(huì)過載或過熱。這極大地簡(jiǎn)化了散熱。

圖 8：在 4 個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 LTM4636 之間精確均分電流，就 160A 應(yīng)用而言溫度僅上升 40°C。

圖 9：提供 140W 功率的 4 個(gè) μModule穩(wěn)壓器的效率

圖 10 顯示了完整的 160A 設(shè)計(jì)。請(qǐng)注意，LTM4636 相互之間不同相運(yùn)行無需時(shí)鐘器件，時(shí)鐘和相位控制已包含在器件中。多相運(yùn)行降低了輸出和輸入紋波電流，減少了所需輸入和輸出電容器數(shù)量。圖 10 中的 4 個(gè) LTM4636 以 90° 相位差運(yùn)行。

圖 10：140W 穩(wěn)壓器由 4 個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 LTM4636 構(gòu)成，提供精確的電流均分以及從 12V 輸入至 0.9V、160A 輸出的高效率轉(zhuǎn)換。

為組件密集排列的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要嚴(yán)格審查器件電壓和電流額定值以外的規(guī)格參數(shù)。對(duì)封裝熱特性的評(píng)估是必不可少的，因?yàn)檫@一特性決定了冷卻成本、PCB 成本和最終產(chǎn)品的大小。3D (又稱為疊置、垂直、CoP) 技術(shù)的進(jìn)步允許大功率 POL 模塊型穩(wěn)壓器占用很小的 PCB 面積，但更重要的是，實(shí)現(xiàn)了高效率冷卻。LTM4636 是第一個(gè)受益于這種疊置封裝技術(shù)的 μModule 穩(wěn)壓器系列的首款器件。作為一款以疊置電感器為散熱器的 40A POL μModule 穩(wěn)壓器，該器件提供 95% 至 88% 的效率，滿負(fù)載時(shí)溫度僅上升 40°C，占用 16mm x 16mm PCB 面積。LTM4636 的視頻介紹在www.linear.com.cn/LTM4636上提供。

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