設(shè)計高效和緊湊型DC/DC轉(zhuǎn)換器的技巧，PCB散熱問題這樣解決最高明

設(shè)計高效和緊湊型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的技巧由一群對轉(zhuǎn)換設(shè)計所涉及之物理學(xué)和支持性數(shù)學(xué)知識有著深入了解、同時兼具一定程度之工作臺經(jīng)驗的工程師負責(zé)實行。對于博德圖、麥克斯韋方程組的深刻理解以及針對極點和零點的關(guān)注融入到了精致的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計中。然而，IC設(shè)計師通常避開了對令人擔(dān)憂之熱問題的處置，這項工作常常落在封裝工程師的身上。

對于負載點 (POL) 轉(zhuǎn)換器而言，熱量是個大問題，這類轉(zhuǎn)換器空間緊湊，容納了很多需要小心對待的 IC。POL 穩(wěn)壓器之所以產(chǎn)生熱量，是因為還沒有電壓轉(zhuǎn)換效率能達到 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：冷的氣流可以給封裝散熱 (或者更準確地說，熱量傳遞到了與封裝表面接觸和溫度更低且快速運動的空氣分子中)。

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

當(dāng)面對組件溫度上升問題時，PCB 設(shè)計師可以在一些標準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)品的市場競爭優(yōu)勢。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 上進行必要的組件分隔，或者也許因為增加更快速的風(fēng)扇以增強空氣流動而變得噪聲相對較大。在各公司憑借緊湊性、計算能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、效率和成本優(yōu)勢參與競爭的市場上，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，這需要進行細致的調(diào)研。本文展示怎樣選擇穩(wěn)壓器才能簡化電路板設(shè)計師的工作。

▌不要僅靠功率密度評判POL穩(wěn)壓器

若干市場因素導(dǎo)致需要改進電子設(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。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，因為創(chuàng)新性設(shè)備的設(shè)計師運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)壓器的文獻中，功率密度常常出現(xiàn)在性能規(guī)格的標題中，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)計師在大量可用穩(wěn)壓器之中進行選擇時，這樣的功率密度成為可引用的規(guī)格參數(shù)。一個 40W/cm² 的穩(wěn)壓器一定好于一個 30W/cm²的穩(wěn)壓器。

產(chǎn)品設(shè)計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)字會首先閃現(xiàn)在腦海中，成為實現(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，在實現(xiàn)成功的最終設(shè)計時，功率密度有多重要? 重要性比想象的低。

一個 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，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，而熱降額對有效、真實的 “功率密度” 有相當(dāng)大的影響。

• 查看穩(wěn)壓器的熱降額曲線：一個詳細敘述、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的輸出電流。數(shù)據(jù)表中應(yīng)該顯示 POL 穩(wěn)壓器在真實工作條件下的輸出電流能力，以便按照其熱性能和負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? 請記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。這兩點密切相關(guān)，同等重要。

• 考慮效率問題：是的，效率不是第一個需要考慮的問題。當(dāng)單獨考慮時，效率值可能不代表準確的 DC/DC 穩(wěn)壓器熱特性。當(dāng)然，在計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功耗及結(jié)溫時，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，會令人印象更加深刻。你會購買這樣的穩(wěn)壓器而不是效率較低、功率密度較低的穩(wěn)壓器嗎? 一位有實際經(jīng)驗的工程師會問一問看似不重要的 2% 效率損失的影響。在工作時，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，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 的極端溫度下測得的最大值和最小值是多少? 在高功率密度時，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? 一個效率令人印象深刻但是價格昂貴的穩(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算器件的結(jié)溫、環(huán)境溫度及外殼溫度上升的關(guān)鍵。因為表面貼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)熱量測量的問題，以在產(chǎn)生系統(tǒng)原型時最大限度減少意外的發(fā)生。

一個設(shè)計良好的封裝應(yīng)該均勻、高效地通過其表面散出熱量，消除會降低 POL 穩(wěn)壓器可靠性的熱點。如上所述，PCB 負責(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，普遍采用了強制空氣流動，一個設(shè)計巧妙的 POL 穩(wěn)壓器還應(yīng)該利用這種“免費”的冷卻機會，消除 MOSFET、電感器等發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量。

▌將熱量引導(dǎo)到封裝頂部并進入空氣中

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)換時產(chǎn)生熱量。

大約 10 年前，一種新的封裝技術(shù)進步使得包括磁性組件在內(nèi)的整個 DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以設(shè)計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。改進封裝散熱能力的任何傳統(tǒng)方法都會導(dǎo)致封裝增大，例如在表面貼裝封裝頂部附著一個散熱器。

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)計將一個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，請觀看 LTM4620 技術(shù)視頻短片

www.linear.com.cn/solutions/4936)。

▌垂直結(jié)構(gòu)：用疊置電感器作為散熱器的 POL 模塊型穩(wěn)壓器

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塑料封裝中，就像一個 IC 一樣，與其他任何組件相比，電感器對封裝的厚度、體積和重量的決定性都更大。電感器也是一個重要的發(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。相對小型的小電流電感器很容易裝入塑料模制封裝中，這時這種方法很有效，但是當(dāng) POL 穩(wěn)壓器使用較大型、較大電流的電感器時，這種方法就不那么有效了，這時在封裝內(nèi)部放置磁性組件會迫使其他電路組件分隔得更遠，從而顯著擴大了封裝在 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，同時提高了熱性能。

▌ 具裸露疊置電感器的3D封裝：保持很小的占板面積、增大功率并改善散熱

很小的 PCB 占板面積、更大的功率和更好的熱性能，用 3D 封裝可以同時獲得這 3 種優(yōu)勢，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 負載電流。4 個并聯(lián)運行的 LTM4636 器件可均分電流，以提供 160A 負載電流。封裝的占板面積僅為 16mm x 16mm。該系列的另一個穩(wěn)壓器 LTM4636-1 檢測過熱和輸入 /輸出過壓情況，可斷開上游電源或斷路器以保護自身及其負載。

馬力倡導(dǎo)者可以計算 LTM4636 的功率密度，而且所得數(shù)字可以安全地標榜為令人印象深刻，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 的疊置電感器同時作為散熱器，該器件作為一個完整的 POL 解決方案，以很小的占板面積實現(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。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，以改善空氣動力學(xué)特性 (實現(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。

▌ 熱性能和效率

LTM4636 是一款受益于 3D 封裝技術(shù)或組件級封裝 (CoP) 的 40A μModule穩(wěn)壓器，如圖 1 所示。封裝體是一個完全模制的 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) 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)計為從封裝底部向 PCB 高效率散熱。該器件有 144 個 BGA 焊球成排地專用于大電流流經(jīng)的 GND、V_IN和 V_OUT。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) 滿負載電流和標準 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，LTM4636 在環(huán)境溫度高達 83°C 時，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。這樣一來，只要有一定的氣流可用，就允許 LTM4636 以高容量運行。

圖 5：熱降額圖形顯示，在環(huán)境溫度高達 83°C 和 200LFM 時，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 和強大的 LTM4636 驅(qū)動器產(chǎn)生的。例如，一個 12V 輸入電源降壓型 DC/DC 控制器：

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

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

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

圖 6：在各種輸出電壓時的高 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率

▌ 具熱平衡的140W、可擴展4 x 40AμModule POL 穩(wěn)壓器

一個 LTM4636 規(guī)定提供 40A 負載電流。兩個采用電流均分模式 (或并聯(lián)) 的 LTM4636 可支持 80A 電流，而 4 個并聯(lián)的 LTM4636 支持 160A 電流。用并聯(lián) LTM4636 擴展電源很容易：簡單地拷貝和粘貼單個穩(wěn)壓器布局即可，如圖 7 (符號和布局可用) 所示。

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

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

圖 8：在 4 個并聯(lián)運行的 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 μModule穩(wěn)壓器的效率

圖10顯示了完整的 160A 設(shè)計。請注意，LTM4636 相互之間不同相運行無需時鐘器件，時鐘和相位控制已包含在器件中。多相運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 LTM4636 以 90° 相位差運行。

圖 10：140W 穩(wěn)壓器由 4 個并聯(lián)運行的 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。