如何選擇冷運(yùn)行、高功率、可擴(kuò)展的POL穩(wěn)壓器并節(jié)省電路板空間

設(shè)計(jì)高效緊湊DC-DC轉(zhuǎn)換器的藝術(shù)由一組精選的工程師實(shí)踐，他們對轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中涉及的物理和支持?jǐn)?shù)學(xué)有深刻的理解，并結(jié)合了健康的工作臺經(jīng)驗(yàn)。對波特圖、麥克斯韋方程組以及對極點(diǎn)和零點(diǎn)的關(guān)注的深刻理解體現(xiàn)在優(yōu)雅的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。然而，IC設(shè)計(jì)人員經(jīng)常避免處理可怕的熱問題，而這項(xiàng)工作通常落在封裝工程師身上。

對于精密IC之間空間狹小的負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器來說，熱量是一個(gè)重大問題。POL穩(wěn)壓器產(chǎn)生熱量，因?yàn)檫€沒有電壓轉(zhuǎn)換是100%有效的。由于其結(jié)構(gòu)、布局和熱阻，封裝會變得多熱？封裝的熱阻不僅會提高POL穩(wěn)壓器的溫度，還會增加PCB和周圍元件的溫度，從而增加系統(tǒng)散熱裝置的復(fù)雜性、尺寸和成本。

PCB上DC-DC轉(zhuǎn)換器封裝的散熱通過兩種主要策略實(shí)現(xiàn)：

通過 PCB 分配它：

如果轉(zhuǎn)換器 IC 可表面貼裝，則 PCB 中的導(dǎo)熱銅通孔和層會從封裝底部散發(fā)熱量。如果封裝對PCB的熱阻足夠低，這就足夠了。

添加氣流：

冷氣流從封裝中帶走熱量（或者更準(zhǔn)確地說，熱量傳遞到與封裝表面接觸的較冷快速空氣分子）。

當(dāng)然，有被動和主動散熱的方法，為了簡單起見，這些方法被認(rèn)為是第二類的子集。

當(dāng)面對不斷上升的元件溫度時(shí)，PCB設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的散熱工具箱，以獲取常用工具，例如額外的銅，散熱器，或更大更快的風(fēng)扇，或者只是更多的空間 - 使用更多的PCB空間，增加PCB上元件之間的距離，或加厚PCB層。

這些工具中的任何一個(gè)都可以在PCB上使用，以將系統(tǒng)保持在安全的溫度范圍內(nèi)，但應(yīng)用這些補(bǔ)救措施可能會削弱最終產(chǎn)品在市場上的競爭優(yōu)勢。該產(chǎn)品，比如路由器，可能需要更大的外殼來適應(yīng)PCB上必要的組件分離，或者隨著添加更快的風(fēng)扇以增加氣流，它可能會變得相對嘈雜。這可能會使最終產(chǎn)品在市場上表現(xiàn)不佳，因?yàn)?a target="_blank">公司在緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)速率、效率和成本方面存在競爭。

圍繞高功率POL穩(wěn)壓器的成功熱管理需要選擇合適的穩(wěn)壓器，這需要仔細(xì)研究。本文介紹了穩(wěn)壓器的選擇如何簡化電路板設(shè)計(jì)人員的工作。

不要僅根據(jù)功率密度來判斷POL穩(wěn)壓器

許多市場因素推動了提高電子設(shè)備熱性能的需求。最明顯的是，即使產(chǎn)品尺寸縮小，性能也會不斷提高。例如，28 nm 至 20 nm 和 20 nm 以下的數(shù)字設(shè)備會消耗功率以提供性能，因?yàn)閯?chuàng)新設(shè)備設(shè)計(jì)人員使用這些更小的工藝來制造更快、更小、更安靜、更高效的設(shè)備。從這一趨勢中得出的明顯結(jié)論是，POL穩(wěn)壓器必須增加功率密度：（功率）/（體積）或（功率）/（面積）。

毫不奇怪，功率密度在穩(wěn)壓器文獻(xiàn)中經(jīng)常被引用為標(biāo)題規(guī)格。令人印象深刻的功率密度使穩(wěn)壓器脫穎而出，為設(shè)計(jì)人員在從眾多可用穩(wěn)壓器中進(jìn)行選擇時(shí)提供了可引用的規(guī)格。A 40 瓦/厘米2POL 穩(wěn)壓器必須優(yōu)于 30 W/cm2調(diào)節(jié)器。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)師希望將更高的功率壓縮到更緊湊的空間中——最高級的功率密度數(shù)字乍一看似乎是通往最快、最小、最安靜和最高效產(chǎn)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(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計(jì)有多重要？比你想象的要少。

POL穩(wěn)壓器必須滿足其應(yīng)用要求。在選擇POL穩(wěn)壓器時(shí)，必須確保其能夠在PCB上完成工作，因?yàn)闊崽幚砜梢猿删突蚱茐膽?yīng)用。以下推薦的POL穩(wěn)壓器分步選擇過程說明了優(yōu)先考慮熱性能的理由：

忽略功率密度數(shù)字：

功率密度規(guī)格忽略了熱降額，熱降額對實(shí)際有效功率密度的影響要大得多。

檢查穩(wěn)壓器的熱降額曲線：

一個(gè)有據(jù)可查且經(jīng)過充分表征的POL穩(wěn)壓器應(yīng)具有指定各種輸入電壓、輸出電壓和氣流速度下的輸出電流的圖表。數(shù)據(jù)手冊應(yīng)顯示POL穩(wěn)壓器在實(shí)際工作條件下的輸出電流能力，以便您根據(jù)其熱電流和負(fù)載電流能力來判斷穩(wěn)壓器。它是否滿足系統(tǒng)的典型和最大環(huán)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(guān)。這兩者密切相關(guān)，同樣重要。

看效率：

是的，效率不是首要考慮因素。當(dāng)單獨(dú)使用效率結(jié)果時(shí)，可能會顯示DC-DC穩(wěn)壓器的熱特性的不準(zhǔn)確圖像。當(dāng)然，計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功耗和結(jié)溫需要效率數(shù)字。效率值必須與輸出電流降額以及與器件及其封裝相關(guān)的其他熱數(shù)據(jù)相結(jié)合。

例如，效率為98%的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器令人印象深刻;當(dāng)它擁有卓越的功率密度數(shù)字時(shí)，甚至更好。您是否通過效率較低、功率密度較低的穩(wěn)壓器購買？一個(gè)精明的工程師應(yīng)該問問看似微不足道的2%效率損失的影響。該功率如何轉(zhuǎn)化為工作期間的封裝溫升？在 60°C 環(huán)境溫度和 200 LFM（線性英尺/分鐘）氣流下，高功率密度、高效穩(wěn)壓器的結(jié)溫是多少？除了在25°C室溫下列出的典型數(shù)字之外。 在極端條件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，封裝熱阻是否上升得如此之高，以至于結(jié)溫超過安全工作溫度？一個(gè)效率高但價(jià)格昂貴的穩(wěn)壓器需要多少降額？降額輸出電流值是否會降低輸出功率能力，以至于器件的額外成本不再合理？

考慮冷卻 POL 穩(wěn)壓器的難易程度：

數(shù)據(jù)手冊中提供的封裝熱阻值是仿真和計(jì)算器件結(jié)溫、環(huán)境和外殼溫度上升的關(guān)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(shù)據(jù)手冊中詳細(xì)說明布局指南和有關(guān)熱測量的討論，以最大程度地減少系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)期間的意外情況。

設(shè)計(jì)良好的封裝應(yīng)有效地在整個(gè)表面上均勻散熱，消除降低POL穩(wěn)壓器可靠性的熱點(diǎn)。如上所述，PCB負(fù)責(zé)吸收和路由來自表面貼裝POL穩(wěn)壓器的大部分熱量。隨著強(qiáng)制氣流在當(dāng)今密集而復(fù)雜的系統(tǒng)中盛行，設(shè)計(jì)巧妙的POL穩(wěn)壓器還應(yīng)利用這種自然冷卻的機(jī)會，從MOSFET和電感器等發(fā)熱元件中去除熱量。

將熱量引導(dǎo)至包裝頂部并進(jìn)入空氣中

高功率開關(guān)POL穩(wěn)壓器依靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。在非隔離式降壓POL穩(wěn)壓器中，該器件使用電感器。電感器和隨附的開關(guān)元件（如 MOSFET）在直流至直流轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生熱量。

大約十年前，新的封裝進(jìn)步允許將整個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器電路（包括磁性元件）設(shè)計(jì)和安裝在模制塑料（稱為模塊或SiP）中，其中模制塑料內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量通過封裝底部路由到PCB。任何提高封裝散熱能力的傳統(tǒng)嘗試，例如將散熱器連接到表面貼裝封裝的頂部，都有助于實(shí)現(xiàn)更大的封裝。

幾年前，開發(fā)了一種創(chuàng)新的模塊封裝技術(shù)，以利用可用的氣流來幫助冷卻。在這種封裝設(shè)計(jì)中，散熱器被集成到模塊封裝中并包覆成型。在封裝內(nèi)部，散熱器的底部直接連接到MOSFET和電感器，而散熱器的頂部是裸露在封裝頂部的平面。這種新的封裝內(nèi)散熱技術(shù)允許器件通過氣流快速冷卻 （例如，請參閱此處的 LTM4620 TechClip 視頻）。

垂直：帶堆疊電感器作為散熱器的POL模塊穩(wěn)壓器

POL穩(wěn)壓器中電感器的尺寸取決于電壓、開關(guān)頻率、電流處理及其結(jié)構(gòu)。在模塊方法中，DC-DC電路（包括電感器）被包覆成型并封裝在塑料封裝中，類似于IC，電感器比任何其他元件更能決定封裝的厚度、體積和重量。電感器也是重要的熱源。

將散熱器集成到封裝中有助于將熱量從 MOSFET 和電感器傳導(dǎo)到封裝頂部，在那里它可以散發(fā)到空氣、冷板或無源散熱器中。當(dāng)相對較小的低電流電感器容易安裝在封裝的塑料模塑料化合物內(nèi)時(shí)，這種技術(shù)是有效的，但當(dāng)POL穩(wěn)壓器依賴于更大和更高電流的電感器時(shí)，這種技術(shù)就不那么有效了，其中磁性元件在封裝內(nèi)的位置迫使其他電路元件相距更遠(yuǎn)，從而大大擴(kuò)展了封裝的PCB尺寸。為了在改善散熱的同時(shí)保持較小的占地面積，封裝工程師開發(fā)了另一個(gè)技巧——垂直、堆疊或 3D（圖 1）。

圖1.高功率POL穩(wěn)壓器模塊使用3D（垂直）封裝技術(shù)來提升電感器，并將其作為散熱器暴露在氣流中。其余

DC-DC電路組裝在電感下方的基板上，最大限度地減少所需的PCB面積，同時(shí)提高熱性能。

采用裸露堆疊電感器的 3D 封裝：保持小尺寸、增加功耗并改善散熱

更小的 PCB 占位面積、更高的功率和更好的熱性能——這三者都可以同時(shí)通過 3D 封裝實(shí)現(xiàn)，這是構(gòu)建 POL 穩(wěn)壓器的一種新方法（圖 1）。LTM4636是一款μModule穩(wěn)壓器，內(nèi)置DC-DC穩(wěn)壓器IC、MOSFET、支持電路和大電感器，可降低輸出紋波，并從12 V輸入到0.6 V至3.3 V的精確調(diào)節(jié)輸出電壓提供高達(dá)40 A的負(fù)載電流。并聯(lián)運(yùn)行的四個(gè)LTM4636器件可以均流，以提供160 A的負(fù)載電流。封裝的占位面積僅為 16 mm × 16 mm。該系列中的另一個(gè)穩(wěn)壓器 LTM4636-1 可檢測過熱和輸入 / 輸出過壓情況，并可跳閘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，并安全地吹捧其數(shù)字令人印象深刻，但如前所述，功率密度數(shù)字講述了一個(gè)不完整的故事。該μModule穩(wěn)壓器還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工具箱帶來了其他顯著優(yōu)勢：令人印象深刻的DC-DC轉(zhuǎn)換效率和無與倫比的散熱能力帶來卓越的熱性能。

為了最小化穩(wěn)壓器的占位面積（16 mm × 16 mm BGA），電感器被抬高并固定在兩個(gè)銅引線框架結(jié)構(gòu)上，以便其他電路元件（二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC-DC IC）可以焊接在基板上。如果電感器放置在基板上，μModule穩(wěn)壓器可以輕松占據(jù)超過1225 mm2的 PCB， 而不是一個(gè)小的 256 毫米2封裝（圖2）。

圖2.LTM4636 的堆疊式電感器兼作散熱器，以在具有小尺寸的完整 POL 解決方案中實(shí)現(xiàn)令人印象深刻的熱性能。

堆疊式電感器結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了緊湊的POL穩(wěn)壓器，并具有卓越的熱性能。LTM4636 中的堆疊式電感器與其他組件不同，未采用塑料包覆成型（封裝）。相反，它直接暴露在氣流中。電感器外殼的形狀采用圓角，以改善空氣動力學(xué)（最小的流動阻塞）。

圖3.LTM4636 的建模熱行為表明，熱量很容易轉(zhuǎn)移到暴露在氣流中的電感器封裝。

熱性能和效率

LTM4636是一款支持40 A的μModule穩(wěn)壓器，得益于3D封裝技術(shù)或封裝上元件（CoP），如圖1所示。封裝主體為包覆成型的 16 mm × 16 mm × 1.91 mm BGA 封裝。將電感器堆疊在模制部分的頂部時(shí)，LTM4636 的總封裝高度（從 BGA 焊球底部（其中 144 個(gè)）到電感器頂部）為 7.16 mm。

除了從頂部散熱之外，LTM4636 還設(shè)計(jì)用于將熱量從封裝底部高效地分散到 PCB。它有 144 個(gè) BGA 焊球，帶有專用于 GND、V 的焊球組在和 V外高電流流動的地方。總的來說，這些焊球充當(dāng)PCB的散熱器。LTM4636 經(jīng)過優(yōu)化，可同時(shí)從封裝的頂部和底部散熱，如圖 3 所示。

即使在具有12 V輸入/1 V輸出、40 A （40 W）滿載電流和標(biāo)準(zhǔn)200 LFM氣流的情況下工作，LTM4636封裝溫度也僅比環(huán)境溫度（25°C至26.5°C）升高40°C。圖4顯示了LTM4636在這些條件下的熱圖像。

圖4.穩(wěn)壓器在 40 W 時(shí)的熱結(jié)果顯示溫升僅為 40°C。

圖5顯示了輸出電流熱降額結(jié)果。在 200 LFM 時(shí)，LTM4636 可在高達(dá) 83°C 的環(huán)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(huán)境溫度下發(fā)生。 這使得 LTM4636 只要有一些氣流可用，就可以在高容量下工作。

圖5.熱降額顯示 40 A 的全電流，在高達(dá) 83°C 的環(huán)境溫度下提供，200 LFM。

圖 6 所示的高轉(zhuǎn)換效率主要得益于 LTM4636 的高性能 MOSFET 和強(qiáng)大的驅(qū)動器。例如，12 V輸入電源降壓DC-DC控制器可實(shí)現(xiàn)：

12 V 輸入至 3.3 V、25 A 時(shí)為 95%

93 V 輸入至 12.1 V、8 A 時(shí)為 40%

12 V 輸入至 1 V、40 A 時(shí)為 88%

圖6.在各種輸出電壓范圍內(nèi)具有高DC-DC轉(zhuǎn)換效率。

140 W、可擴(kuò)展 4 A × 40 A μModule POL 穩(wěn)壓器，帶熱平衡

一個(gè) LTM4636 的額定負(fù)載電流輸出為 40 A。兩個(gè)處于均流模式（或并聯(lián)）的 LTM4636 可支持 80 A，而四個(gè)則支持 160 A。 使用并聯(lián) LTM4636 輕松升級電源;只需復(fù)制并粘貼單穩(wěn)壓器封裝，如圖7所示（提供符號和封裝）。

圖7.并行 LTM4636 易于布局。 只需復(fù)制一個(gè)通道的布局。

LTM4636的電流模式架構(gòu)可在40 A模塊之間實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)均流。反過來，精確的均流產(chǎn)生一個(gè)電源，在設(shè)備之間均勻地傳播熱量。圖8所示為具有四個(gè)μ模塊的160 A穩(wěn)壓器。具有這些規(guī)格的所有設(shè)備都在彼此的°C內(nèi)運(yùn)行，確保沒有單個(gè)設(shè)備過載或過熱。這大大簡化了散熱。

圖8.四個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的LTM4636之間的精密均流，對于160 A應(yīng)用，溫度僅升高40°C。

圖9.具有四個(gè)μ模塊的140 W穩(wěn)壓器的效率。

圖10顯示了完整的160 A設(shè)計(jì)。請注意，LTM4636 不需要時(shí)鐘器件即可以彼此各自的異相方式運(yùn)行 — 包括時(shí)鐘和相位控制。多相操作可降低輸出和輸入紋波電流，從而減少所需的輸入和輸出電容器數(shù)量。圖中，圖10中的四個(gè)LTM4636以90°錯(cuò)相運(yùn)行。

圖 10.這款140 W穩(wěn)壓器具有四個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的LTM4636，具有精密均流和高效率12 V輸入至0.9 V輸出（160 A）。

結(jié)論

為人口稠密的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要對器件的電壓和安培額定值進(jìn)行審查。評估其封裝的熱特性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了冷卻成本、PCB 成本和最終產(chǎn)品尺寸。3D（也稱為堆疊式垂直CoP）的進(jìn)步使高功率POL模塊穩(wěn)壓器能夠適應(yīng)較小的PCB尺寸，但更重要的是，可實(shí)現(xiàn)高效冷卻。LTM4636 是首款受益于這種堆疊封裝技術(shù)的 μModule 穩(wěn)壓器系列。作為采用堆疊電感器作為散熱器的 40 A POL μModule 穩(wěn)壓器，它的效率為 95% 至 88%，滿載時(shí)僅升 40°C，僅占用 16 mm × 16 mm 的 PCB 面積。

審核編輯：郭婷