要在高功耗負載點(diǎn)(POL)調節器周?chē)晒?shí)現散熱管理，就需要選擇正確的調節器。今天我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)如何通過(guò)選擇正確的調節器，達到簡(jiǎn)化電路板設計師工作的目的。

 

在POL轉換器中，專(zhuān)用IC之間的空間有限，因此散熱是個(gè)大問(wèn)題。POL調節器會(huì )產(chǎn)生熱量，因為（目前）還沒(méi)有電壓轉換的效率能達到10%。受結構、布局和熱阻影響，封裝會(huì )變得多熱？封裝的熱阻不僅會(huì )提高POL調節器的溫度，還會(huì )增加PCB及周?chē)M件的溫度，因而會(huì )增加系統散熱機制的復雜性、尺寸和成本。。。。

 

 

通過(guò)PCB散熱

 

如果轉換器IC采用表貼封裝，則PCB上的導熱性銅通孔和隔層會(huì )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（更準確地說(shuō)，熱量被轉移到與封裝表面接觸的快速運動(dòng)的較冷空氣分子中）。

 

當然還有被動(dòng)式散熱法和主動(dòng)式散熱方法，但為簡(jiǎn)化討論，我們將它們視為第二類(lèi)的子集。

 

面對上升的組件溫度，PCB設計師可以從標準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(jiǎn)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，使系統溫度維持在安全限值以?xún)?，但是使用這些補救措施會(huì )降低最終產(chǎn)品在市場(chǎng)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，結果可能會(huì )增加噪聲。這可能會(huì )使最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上失去優(yōu)勢，因為企業(yè)的競爭優(yōu)勢體現在緊湊性、計算能力、數據速率、效率和成本等方面。

 

 

市場(chǎng)上有多種因素要求我們完善電子設備的散熱性能。最為明顯的是，即使產(chǎn)品尺寸不斷縮小，性能也會(huì )持續提升。例如，28 nm至20 nm和亞20 nm級的數字器件需要較大功耗才能達到性能要求，因為創(chuàng )新設備設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論是POL調節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)調節器的文獻中，功率密度一般被當作一項重要指標。較大的功率密度可使調節器脫穎而出——當設計師從眾多調節器中進(jìn)行選擇時(shí)可以作為參考指標。40 W/cm2POL的調節器必然優(yōu)于30 W/cm2的調節器。

 

產(chǎn)品設計師想把更高的功率塞進(jìn)更緊湊的空間中——乍一看，超高的功率密度數值似乎是實(shí)現最快、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(chē)性能一樣。但是，功率密度在實(shí)現成功的最終設計方面到底有多重要？可能不如你想像的重要。

 

POL調節器必須符合其應用的要求。選擇POL調節器時(shí)，必須確保其具備在PCB上完成任務(wù)的能力，因為熱量處理既可能成就應用，也可能毀掉應用。以下是針對POL調節器的逐步選擇流程建議，其中突出了熱性能的重要性：

 

 

功率密度指標忽略了熱衰減問(wèn)題，但該問(wèn)題對真實(shí)有效功率密度的影響要大得多。

 

 

配有完整文檔并且技術(shù)指標齊全的POL調節器應該配有對應的圖形，其中標示了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流風(fēng)速下的輸出電流。數據手冊應該展示POL調節器在真實(shí)工作條件下的輸出電流能力，以便從熱性能和負載電流性能的角度判斷調節器的適用性。是否符合系統的典型和最大環(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。

 

 

是的，效率不是第一考慮因素。獨立使用時(shí)，效率結果可能無(wú)法準確體現DC-DC調節器的熱特性。當然，效率值對于計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功率損耗和結溫是必不可少的。效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關(guān)的其他熱數據結合使用。

 

例如，效率為98%的DC-DC降壓轉換器是非常不錯的；如果它的功率密度值也非常出色，無(wú)異于錦上添花。與效率更低、功率密度更低的調節器相比，你會(huì )買(mǎi)它嗎？精明的工程師應該問(wèn)問(wèn)看似不重要的2%效率損失有什么影響。在運行過(guò)程中，這些功耗會(huì )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(xiàn)性英尺/分）的風(fēng)速下，高功率密度型高效調節器的結溫有多高？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(huì )升高到非常高的水平使結溫快速超過(guò)安全工作溫度嗎？效率很高但價(jià)格昂貴的調節器要求多少衰減？衰減輸出電流值會(huì )不會(huì )削弱輸出功率性能，從而使器件的額外成本失去意義？

 

 

數據手冊中的封裝熱阻值是模擬和計算器件結溫、環(huán)境溫度和外殼溫度的關(guān)鍵。由于表貼式封裝中會(huì )有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板，所以，必須在數據手冊中標明有關(guān)熱量測量的布局指引和討論結果，以減少系統原型開(kāi)發(fā)過(guò)程出現的突發(fā)情況。

 

設計精良的封裝應該通過(guò)表面高效、均勻地散熱，從而消除可能導致POL調節器性能出現衰減的熱點(diǎn)。如上所述，PCB負責吸收和路由來(lái)自表貼式POL調節器的大部分熱量。隨著(zhù)強制氣流散熱方式在當今的高密度和高復雜度的系統中日漸流行，設計精良的POL調節器也應該利用這一免費的冷卻機會(huì )，為MOSFET、電感等發(fā)熱部件散熱。

 

 

高功率開(kāi)關(guān)POL調節器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉換成穩壓輸出電壓。在非隔離式降壓POL調節器中，器件采用電感。電感和相關(guān)開(kāi)關(guān)元件（如MOSFET）在DC-DC轉換過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生熱量。

 

大約十年前，封裝技術(shù)取得顯著(zhù)進(jìn)步，使得包括磁體在內的整個(gè)DC-DC調節器電路均可被設計和安裝在稱(chēng)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(guò)封裝底部路由至PCB。試圖改善封裝散熱能力的任何常規做法（比如在表貼封裝頂部加裝一個(gè)散熱器）都會(huì )增大封裝尺寸。

 

幾年前，一種新型模塊封裝技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，利用氣流輔助冷卻。在該封裝設計中，一個(gè)散熱器被集成到模塊封裝當中并經(jīng)嵌件注塑處理。在封裝內部，散熱器底部直接連接MOSFET和電感，散熱器的頂面則是一個(gè)平面，裸露在封裝頂部。借助這種新型封裝內散熱技術(shù)，用氣流即可使器件快速冷卻下來(lái)。

 

 

POL調節器中的電感的大小取決于電壓、開(kāi)關(guān)頻率、電流處理性能及其結構。在模塊化設計中，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(lèi)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(gè)重要的熱源。

 

把散熱器集成到封裝中有助于將來(lái)自MOSFET和電感的熱量傳導至封裝頂部，從而散發(fā)到空氣、冷板或無(wú)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調節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)封裝就必須擴大其他電路組件的間距，會(huì )大幅增大封裝PCB占位面積，所以其有效性會(huì )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(kāi)發(fā)了另一種技術(shù)——垂直、堆?；蚍Q(chēng)3D（圖1）。

 

圖1. 高功率POL調節器模塊運用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。

 

 

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調節器構造方法，見(jiàn)圖1），可以同時(shí)實(shí)現這三個(gè)目標。LTM4636是一款μModule®調節器，板載DC-DC調節器IC、MOSFET、支持電路和一個(gè)大型電感，可減少輸出紋波，提供最高40 A的負載電流，輸入電壓為12 V，精密調節輸出電壓范圍為0.6 V至3.3 V。4個(gè)LTM4636器件并聯(lián)可以通過(guò)電流共享方式提供160 A的負載電流。封裝的占位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調節器LTM4636-1，可以檢測過(guò)溫和輸入/輸出過(guò)壓條件，并且能斷開(kāi)上行電源或斷路器以保護自己及其負載。

 

功率至上者可以計算LTM4636的功率密度，并對計算得到的數值感到滿(mǎn)意——但如前所述，功率密度數值并非全部。這款μModule調節器還能給系統設計師的工具箱帶來(lái)其他顯著(zhù)優(yōu)勢：卓越的DC-DC轉換效率和無(wú)與倫比的散熱能力成就出色的散熱性能。

 

為了盡量減小調節器的占位面積(16 mm × 16 mm BGA)，將電感抬高并固定在兩個(gè)銅引線(xiàn)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調節器可以輕松占用超過(guò)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)。

 

借助堆疊式電感結構，系統設計師既可打造出緊湊的POL調節器，同時(shí)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計，以提高空氣動(dòng)態(tài)性能（減少對氣流的阻礙）。

 

圖3. LTM4636的模擬散熱行為顯示，熱量可以被輕松轉移到暴露在氣流下的電感封裝上。

 

 

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(gè)）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(zhuān)門(mén)設計，可以高效地把來(lái)自封裝底部的熱量散發(fā)到PCB。這款器件有144個(gè)BGA焊球，高電流在GND、VIN和VOUT專(zhuān)用庫中流動(dòng)。這些焊球共同充當PCB的散熱器。LTM4636經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以同時(shí)散發(fā)來(lái)自封裝頂部和底部的熱量，如圖3所示。

 

即使在較大轉換比、12 V輸入/1 V輸出、40 A (40 W)的全負載電流和200 LFM的標準氣流條件下，LTM4636封裝的溫度也只會(huì )比環(huán)境溫度（25°C至26.5°C）高40°C。圖4所示為L(cháng)TM4636在這些條件下的熱圖。

 

圖4. 調節器在40 W下的熱性能結果表明，溫度只會(huì )提高40°C。

 

圖5所示為輸出電流熱衰減結果。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(huì )出現在環(huán)境溫度達到110°C時(shí)。這樣，只要有氣流，LTM4636都能在高容量下運行。

 

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40 A

 

圖6所示高轉換效率主要歸功于高性能MOSFET和LTM4636超強的性能。例如，12 V輸入電源降壓DC-DC轉換器可以實(shí)現：

 

 

圖6. 多種輸出電壓下的高DC-DC轉換效率。

 

 

一個(gè)LTM4636的額定輸出負載電流為40 A。在電流共享模式（或并聯(lián)）下，2個(gè)LTM4636可以支持80 A，4個(gè)可以支持160 A。通過(guò)并聯(lián)LTM4636的方式提高電源電流非常簡(jiǎn)單；只需復制和粘貼單個(gè)調節器的占位面積即可，如圖7所示（提供符合和占位面積）。

 

圖7. 并聯(lián)LTM4636設計起來(lái)非常簡(jiǎn)單。只需復制一個(gè)通道的布局即可

 

借助LTM4636的電流模式結構，可以在多個(gè)40 A模塊之間實(shí)現精確電流共享。在精密電流共享模式下，電流會(huì )把熱量均勻地分布在各個(gè)器件上。圖8所示160 A調節器有4個(gè)μModule模塊。在滿(mǎn)足這些指標下，所有器件的工作溫度都能相互平衡，確保任何單個(gè)器件都會(huì )過(guò)載或過(guò)熱。這就極大地簡(jiǎn)化了散熱機制的設計。

 

圖8. 并行運行的4個(gè)LTM4636之間的精確電流共享，在160 A應用中，溫度僅升高40°C。

 

圖9. 帶4個(gè)μModule模塊的140 W調節器的效率。

 

圖10所示為完整的160 A設計。注意，LTM4636無(wú)需時(shí)鐘器件即可相互反相工作——包括時(shí)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量。在圖10中，4個(gè)LTM4636相互反相90°。

 

圖10. 這款140 W的調節器搭載4個(gè)并行運行的LTM4636，采用精確電流共享模式，在160 A應用中，12 V輸入電壓轉換為0.9 V輸出電壓的效率非常出色

 

 

為密集型系統選擇POL調節器，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，因為此項指標決定著(zhù)冷卻成本、PCB的成本以及最終產(chǎn)品的尺寸。使用3D（也稱(chēng)為堆疊、垂直技術(shù)）CoP封裝，可以將高功率POL模塊調節器放在較小的PCB空間中，但更重要的是，可以實(shí)現效率冷卻。LTM4636是從這種堆疊式封裝技術(shù)受益的第一個(gè)μModule調節器系列。作為一款以堆疊式電感作為散熱器的40 A POL μModule調節器，其效率高達95%至88%，全負載下溫度最多升高40°C，PCB占用面積只有16 mm × 16 mm。