設(shè)計(jì)高效和緊湊的 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(duì)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)合了健康的工作經(jīng)驗(yàn)。對(duì)波德圖、麥克斯韋方程以及對(duì)極點(diǎn)和零點(diǎn)的深刻理解融入了優(yōu)雅的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。盡管如此，IC 設(shè)計(jì)人員通常會(huì)避免處理令人生畏的熱量話題——這項(xiàng)工作通常落在封裝工程師的肩上。

對(duì)于精密 IC 之間空間狹小的負(fù)載點(diǎn) （POL） 轉(zhuǎn)換器，熱量是一個(gè)重要問題。POL 穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生熱量，因?yàn)闆]有電壓轉(zhuǎn)換能達(dá)到 100% 的效率（目前）。由于其結(jié)構(gòu)、布局和熱阻抗，封裝會(huì)變得多熱？封裝的熱阻抗不僅會(huì)提高 POL 穩(wěn)壓器的溫度，還會(huì)提高 PCB 和周圍組件的溫度，從而導(dǎo)致系統(tǒng)散熱安排的復(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

如果轉(zhuǎn)換器 IC 是可表面貼裝的，PCB 中的導(dǎo)熱銅通孔和層會(huì)從封裝底部散發(fā)熱量。如果封裝對(duì) 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(zhǔn)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(dāng)然，有被動(dòng)和主動(dòng)散熱的方法，為了討論的簡(jiǎn)單，它們被認(rèn)為是第二類的子集。

當(dāng)面對(duì)不斷升高的組件溫度時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的散熱工具箱來獲取常用工具，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，增加距離PCB 上的元件之間，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)保持在安全溫度范圍內(nèi)，但應(yīng)用這些補(bǔ)救措施可能會(huì)削弱最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)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(fēng)扇以增加氣流，它可能會(huì)變得相對(duì)嘈雜。這可能會(huì)使最終產(chǎn)品在公司競(jìng)爭(zhēng)緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)速率、效率和成本等優(yōu)點(diǎn)的市場(chǎng)中表現(xiàn)不佳。

圍繞大功率 POL 穩(wěn)壓器的成功熱管理需要選擇正確的穩(wěn)壓器，這需要仔細(xì)研究。本文展示了穩(wěn)壓器的選擇如何簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)人員的工作。

不要僅以功率密度來判斷 POL 穩(wěn)壓器

許多市場(chǎng)因素推動(dòng)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(huì)不斷提高。例如，28 nm 至 20 nm 和亞 20 nm 數(shù)字設(shè)備通過消耗功率來提供性能，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、更安靜和更高效的設(shè)備。這一趨勢(shì)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）。

功率密度經(jīng)常在穩(wěn)壓器文獻(xiàn)中被引用為標(biāo)題規(guī)范也就不足為奇了。令人印象深刻的功率密度使穩(wěn)壓器脫穎而出，在從眾多可用穩(wěn)壓器中進(jìn)行選擇時(shí)，為設(shè)計(jì)人員提供了可引用的規(guī)格。40 W/cm 2 POL 調(diào)節(jié)器必須優(yōu)于 30 W/cm 2調(diào)節(jié)器。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員希望將更高的功率擠入更緊湊的空間——最高級(jí)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(duì)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 調(diào)節(jié)器必須滿足其應(yīng)用的要求。在選擇 POL 穩(wěn)壓器時(shí)，必須確保它能夠在 PCB 上完成這項(xiàng)工作，在 PCB 上，熱量的處理會(huì)影響應(yīng)用的成敗。以下推薦的 POL 穩(wěn)壓器分步選擇流程為優(yōu)先考慮熱性能提供了依據(jù)：

忽略功率密度數(shù)

功率密度規(guī)格忽略了熱降額，這對(duì)實(shí)際的有效功率密度有更大的影響。

檢查調(diào)節(jié)器的熱降額曲線

一個(gè)有據(jù)可查和特征化的 POL 穩(wěn)壓器應(yīng)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(shù)據(jù)表應(yīng)顯示 POL 穩(wěn)壓器在實(shí)際工作條件下的輸出電流能力，以便您可以通過其熱和負(fù)載電流能力來判斷穩(wěn)壓器。它是否滿足您系統(tǒng)的典型和最高環(huán)境溫度和氣流速度的要求？請(qǐng)記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。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。單獨(dú)使用時(shí)，效率結(jié)果可能無(wú)法準(zhǔn)確反映 DC-DC 穩(wěn)壓器的熱特性。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)據(jù)。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)時(shí)，效果會(huì)更好。您是否通過效率較低、功率密度較低的穩(wěn)壓器購(gòu)買它？精明的工程師應(yīng)該詢問看似微不足道的 2% 效率損失的影響。該功率如何轉(zhuǎn)化為運(yùn)行期間的封裝溫升？在 60°C 環(huán)境溫度和 200 LFM（每分鐘線性英尺）氣流下，高功率密度、高效穩(wěn)壓器的結(jié)溫是多少？超越在 25°C 室溫下列出的典型數(shù)字。在極端情況下測(cè)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(jié)溫超過安全工作溫度？一個(gè)效率驚人但價(jià)格昂貴的穩(wěn)壓器需要多少降額？降額的輸出電流值是否會(huì)降低輸出功率能力，以至于設(shè)備的額外成本不再合理？

考慮冷卻 POL 調(diào)節(jié)器的難易程度

數(shù)據(jù)表中提供的封裝熱阻值是模擬和計(jì)算器件結(jié)溫、環(huán)境溫度和外殼溫度升高的關(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)表中闡明布局指南和有關(guān)熱測(cè)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。

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的封裝應(yīng)該有效地在其表面均勻地散熱，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)吸收和傳遞來自表面貼裝 POL 穩(wěn)壓器的大部分熱量。隨著當(dāng)今密集和復(fù)雜系統(tǒng)中強(qiáng)制氣流的普遍存在，設(shè)計(jì)巧妙的 POL 穩(wěn)壓器也應(yīng)該利用這種自然冷卻的機(jī)會(huì)來去除 MOSFET 和電感器等發(fā)熱組件的熱量。

將熱量引導(dǎo)至封裝頂部并進(jìn)入空氣

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。電感器和伴隨的開關(guān)元件，例如 MOSFET，在 DC-DC 轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生熱量。

大約十年前，新的封裝技術(shù)使得整個(gè) DC-DC 穩(wěn)壓器電路（包括磁性元件）能夠設(shè)計(jì)并安裝在稱為模塊或 SiP 的模制塑料內(nèi)部，其中模制塑料內(nèi)部產(chǎn)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(tǒng)嘗試，例如在表面貼裝封裝頂部安裝散熱器，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)，以利用可用氣流來幫助冷卻。在此封裝設(shè)計(jì)中，散熱器集成到模塊封裝中并包覆成型。在封裝內(nèi)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(nèi)散熱技術(shù)允許通過氣流快速冷卻設(shè)備（例如，請(qǐng)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(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，包括電感器在內(nèi)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(gè)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，在那里可以將熱量散發(fā)到空氣、冷板或無(wú)源散熱器中。當(dāng)相對(duì)較小的低電流電感器很容易安裝在封裝的塑料模塑料內(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，因?yàn)樵诜庋b內(nèi)放置磁性元件會(huì)迫使其他電路元件距離更遠(yuǎn)，顯著擴(kuò)大了封裝的 PCB 占位面積。為了在改善散熱的同時(shí)保持小尺寸，封裝工程師開發(fā)了另一種技巧——垂直、堆疊或 3D（圖 1）。

【圖1 | 大功率 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。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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)，這是一種構(gòu)建 POL 穩(wěn)壓器的新方法（圖 1）。LTM4636是一款 μModule 穩(wěn)壓器，具有片上 DC 至 DC 穩(wěn)壓器 IC、MOSFET、支持電路和一個(gè)大電感器，以降低輸出紋波并提供高達(dá) 40 A 的負(fù)載電流（從 12 V 輸入到精確調(diào)節(jié)的輸出電壓范圍） 0.6 V 至 3.3 V。四個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 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。該系列的另一款穩(wěn)壓器LTM4636-1，檢測(cè)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(hù)自身及其負(fù)載。

馬力倡導(dǎo)者可以計(jì)算出 LTM4636 的功率密度，并安全地吹噓它的數(shù)字令人印象深刻——但正如前面所討論的，功率密度數(shù)字說明了一個(gè)不完整的故事。這款 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(shì)：卓越的熱性能源自令人印象深刻的 DC-DC 轉(zhuǎn)換效率和無(wú)與倫比的散熱能力。

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(wěn)壓器可以輕松占據(jù)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(gè)占板面積小的完整 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(yīng)器外殼的形狀包含圓角，以改善空氣動(dòng)力學(xué)（最小流量阻塞）。

【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 是一款具有 40 A 能力的 μModule 穩(wěn)壓器，它受益于 3D 封裝技術(shù)或封裝上組件 （CoP），如圖 1 所示。封裝的主體是一個(gè)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(gè)）底部到電感器頂部）為 7.16 mm。

除了從頂部散發(fā)熱量外，LTM4636 還設(shè)計(jì)用于有效地將熱量從封裝底部散發(fā)到 PCB。它有 144 個(gè) 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(dāng) PCB 的散熱器。LTM4636 經(jīng)過優(yōu)化，可從封裝的頂部和底部散發(fā)熱量，如圖 3 所示。

即使在高轉(zhuǎn)換比、12V 輸入/1V 輸出、40A （40W） 滿負(fù)載電流和標(biāo)準(zhǔn) 200LFM 氣流條件下運(yùn)行，LTM4636 封裝溫度也僅比環(huán)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(diào)節(jié)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，就能夠以高容量運(yùn)行。

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

圖 6 中所示的高轉(zhuǎn)換效率主要?dú)w功于性能最佳的 MOSFET 和 LTM4636 的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)器。例如，一個(gè) 12 V 輸入電源降壓 DC-DC 控制器可實(shí)現(xiàn)：

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(shí)為 88%

【圖6 | 各種輸出電壓下的高 DC-DC 轉(zhuǎn)換效率。］

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

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

LTM4636 的電流模式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)電源，使熱量在設(shè)備之間均勻分布。圖 8 顯示了一個(gè)帶有四個(gè) μModule 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 范圍內(nèi)運(yùn)行，確保沒有單個(gè)設(shè)備過載或過熱。這大大簡(jiǎn)化了散熱。

【圖8 | 四個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 LTM4636 之間的精密電流共享，導(dǎo)致 160 A 應(yīng)用的溫度僅升高 40°C。］

【圖9 | 具有四個(gè) μModules 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(qǐng)注意，LTM4636 無(wú)需時(shí)鐘器件即可相互異相運(yùn)行——包括時(shí)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(shù)量。這里，圖 10 中的四個(gè) LTM4636 以 90° 異相運(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，具有精密電流共享和 160 A 時(shí)的 12 V 輸入至 0.9 V 輸出的高效率。］

結(jié)論

為人口密集的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查器件的額定電壓和電流強(qiáng)度。對(duì)其封裝的熱特性進(jìn)行評(píng)估至關(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 技術(shù)（也稱為堆疊式垂直 CoP）的進(jìn)步使大功率 POL 模塊穩(wěn)壓器能夠適應(yīng)較小的 PCB 占位面積，但更重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)高效冷卻。LTM4636 是首個(gè)受益于這種堆疊封裝技術(shù)的 μModule 穩(wěn)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(wěn)壓器，它擁有 95% 至 88% 的效率，滿載時(shí)僅升高 40°C，僅占用 16 mm × 16 mm 的 PCB 面積。

審核編輯：郭婷