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從事高效緊湊式DCDC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)藝術(shù)的是一群精英工程師他們對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)相關(guān)物理學(xué)原理和相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)有著深入的理解還擁有豐富的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)憑借對(duì)波特圖麥克斯韋方程組以及極點(diǎn)和零點(diǎn)的深入理解他們可以打造出優(yōu)雅的DCDC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)然而IC設(shè)計(jì)師通常會(huì)回避棘手的散熱問題這項(xiàng)工作通常屬于封裝工程師的職責(zé)范圍

在負(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器中專用IC之間的空間有限因此散熱是個(gè)大問題POL調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生熱量因?yàn)槟壳斑€沒有電壓轉(zhuǎn)換的效率能達(dá)到100受結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器的溫度還會(huì)增加PCB及周圍組件的溫度因而會(huì)增加系統(tǒng)散熱機(jī)制的復(fù)雜性尺寸和成本

PCB上的DCDC轉(zhuǎn)換器封裝主要有兩種散熱方式

通過(guò)PCB散熱

如果轉(zhuǎn)換器IC采用表貼封裝則PCB上的導(dǎo)熱性銅通孔和隔層會(huì)從封裝底部散熱如果封裝對(duì)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(zhǔn)確地說(shuō)熱量被轉(zhuǎn)移到與封裝表面接觸的快速運(yùn)動(dòng)的較冷空氣分子中

當(dāng)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的子集

面對(duì)上升的組件溫度PCB設(shè)計(jì)師可以從標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)溫度維持在安全限值以內(nèi)但是使用這些補(bǔ)救措施會(huì)降低最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(jié)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(shì)因?yàn)槠髽I(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在緊湊性計(jì)算能力數(shù)據(jù)速率效率和成本等方面

要在高功耗POL調(diào)節(jié)器周圍成功實(shí)現(xiàn)散熱管理就需要選擇正確的調(diào)節(jié)器而這又要求進(jìn)行仔細(xì)的研究本文將展示如何通過(guò)選擇正確的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)師的工作

切勿僅憑功率密度來(lái)判斷POL調(diào)節(jié)器

市場(chǎng)上有多種因素要求我們完善電子設(shè)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(xù)提升例如28nm至20nm和亞20nm級(jí)的數(shù)字器件需要較大功耗才能達(dá)到性能要求因?yàn)閯?chuàng)新設(shè)備設(shè)計(jì)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(shì)可以得出的明顯結(jié)論是POL調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的文獻(xiàn)中功率密度一般被當(dāng)作一項(xiàng)重要指標(biāo)較大的功率密度可使調(diào)節(jié)器脫穎而出當(dāng)設(shè)計(jì)師從眾多調(diào)節(jié)器中進(jìn)行選擇時(shí)可以作為參考指標(biāo)40Wcm2POL的調(diào)節(jié)器必然優(yōu)于30Wcm2的調(diào)節(jié)器

產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shù)值似乎是實(shí)現(xiàn)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性能一樣但是功率密度在實(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計(jì)方面到底有多重要可能不如你想像的重要

POL調(diào)節(jié)器必須符合其應(yīng)用的要求選擇POL調(diào)節(jié)器時(shí)必須確保其具備在PCB上完成任務(wù)的能力因?yàn)闊崃刻幚砑瓤赡艹删蛻?yīng)用也可能毀掉應(yīng)用以下是針對(duì)POL調(diào)節(jié)器的逐步選擇流程建議其中突出了熱性能的重要性

忽略功率密度數(shù)值

功率密度指標(biāo)忽略了熱衰減問題但該問題對(duì)真實(shí)有效功率密度的影響要大得多

檢查調(diào)節(jié)器的熱衰減曲線

配有完整文檔并且技術(shù)指標(biāo)齊全的POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該配有對(duì)應(yīng)的圖形其中標(biāo)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(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)該展示POL調(diào)節(jié)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(fù)載電流性能的角度判斷調(diào)節(jié)器的適用性是否符合系統(tǒng)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

效率考慮

是的效率不是第一考慮因素獨(dú)立使用時(shí)效率結(jié)果可能無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)DCDC調(diào)節(jié)器的熱特性當(dāng)然效率值對(duì)于計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流輸入功耗功率損耗和結(jié)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(shù)據(jù)結(jié)合使用

例如效率為98的DCDC降壓轉(zhuǎn)換器是非常不錯(cuò)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(diào)節(jié)器相比你會(huì)買它嗎精明的工程師應(yīng)該問問看似不重要的2效率損失有什么影響在運(yùn)行過(guò)程中這些功耗會(huì)對(duì)封裝溫度的升高產(chǎn)生什么樣的影響在60C環(huán)境溫度以及200LFM線性英尺分的風(fēng)速下高功率密度型高效調(diào)節(jié)器的結(jié)溫有多高不要只看25C室溫下的典型值極溫下的最大值和最小值是多少40C85C或125C高功率密度下封裝熱阻會(huì)升高到非常高的水平使結(jié)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(diào)節(jié)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

考慮POL調(diào)節(jié)器冷卻的便利性

數(shù)據(jù)手冊(cè)中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(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明有關(guān)熱量測(cè)量的布局指引和討論結(jié)果以減少系統(tǒng)原型開發(fā)過(guò)程出現(xiàn)的突發(fā)情況

設(shè)計(jì)精良的封裝應(yīng)該通過(guò)表面高效均勻地散熱從而消除可能導(dǎo)致POL調(diào)節(jié)器性能出現(xiàn)衰減的熱點(diǎn)如上所述PCB負(fù)責(zé)吸收和路由來(lái)自表貼式POL調(diào)節(jié)器的大部分熱量隨著強(qiáng)制氣流散熱方式在當(dāng)今的高密度和高復(fù)雜度的系統(tǒng)中日漸流行設(shè)計(jì)精良的POL調(diào)節(jié)器也應(yīng)該利用這一免費(fèi)的冷卻機(jī)會(huì)為MOSFET電感等發(fā)熱部件散熱

把熱量從封裝頂部引至空氣中

高功率開關(guān)POL調(diào)節(jié)器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出電壓在非隔離式降壓POL調(diào)節(jié)器中器件采用電感電感和相關(guān)開關(guān)元件如MOSFET在DCDC轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量

大約十年前封裝技術(shù)取得顯著進(jìn)步使得包括磁體在內(nèi)的整個(gè)DCDC調(diào)節(jié)器電路均可被設(shè)計(jì)和安裝在稱為模塊或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(guī)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)被開發(fā)出來(lái)利用氣流輔助冷卻在該封裝設(shè)計(jì)中一個(gè)散熱器被集成到模塊封裝當(dāng)中并經(jīng)嵌件注塑處理在封裝內(nèi)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(nèi)散熱技術(shù)用氣流即可使器件快速冷卻下來(lái)有關(guān)示例請(qǐng)點(diǎn)擊此處觀看LTM4620TechClip視頻

采用垂直模式以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調(diào)節(jié)器

POL調(diào)節(jié)器中的電感的大小取決于電壓開關(guān)頻率電流處理性能及其結(jié)構(gòu)在模塊化設(shè)計(jì)中DCDC電路包括電感被超模壓塑并密封在塑料封裝中與IC類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(dǎo)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(diào)節(jié)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(kuò)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發(fā)了另一種技術(shù)垂直堆棧或稱3D圖1

圖1高功率POL調(diào)節(jié)器模塊運(yùn)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DCDC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

采用裸露堆疊式電感的3D封裝保持較小的占位面積提高功率完善散熱

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(diào)節(jié)器構(gòu)造方法見圖1可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo)LTM4636是一款Module調(diào)節(jié)器板載DCDC調(diào)節(jié)器ICMOSFET支持電路和一個(gè)大型電感可減少輸出紋波提供最高40A的負(fù)載電流輸入電壓為12V精密調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為06V至33V4個(gè)LTM4636器件并聯(lián)可以通過(guò)電流共享方式提供160A的負(fù)載電流封裝的占位面積僅為16mm16mm該系列另有一款調(diào)節(jié)器LTM46361可以檢測(cè)過(guò)溫和輸入輸出過(guò)壓條件并且能斷開上行電源或斷路器以保護(hù)自己及其負(fù)載

功率至上者可以計(jì)算LTM4636的功率密度并對(duì)計(jì)算得到的數(shù)值感到滿意但如前所述功率密度數(shù)值并非全部這款Module調(diào)節(jié)器還能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工具箱帶來(lái)其他顯著優(yōu)勢(shì)卓越的DCDC轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器的占位面積16mm16mmBGA將電感抬高并固定在兩個(gè)銅引線框架上以便把其他電路組件二極管電阻MOSFET電容DCDCIC裝在其下方的襯底上如果將電感裝在襯底上Module調(diào)節(jié)器可以輕松占用超過(guò)1225mm2而非256mm2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(xiàn)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師既可打造出緊湊的POL調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)以提高空氣動(dòng)態(tài)性能減少對(duì)氣流的阻礙

圖3LTM4636的模擬散熱行為顯示熱量可以被輕松轉(zhuǎn)移到暴露在氣流下的電感封裝上

散熱性能和效率

主體是16mm16mm191mm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716mm

除了從頂部散熱以外LTM4636還采用了專門設(shè)計(jì)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GNDVIN和VOUT專用庫(kù)中流動(dòng)這些焊球共同充當(dāng)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(zhuǎn)換比12V輸入1V輸出40A40W的全負(fù)載電流和200LFM的標(biāo)準(zhǔn)氣流條件下LTM4636封裝的溫度也只會(huì)比環(huán)境溫度25C至265C高40C圖4所示為L(zhǎng)TM4636在這些條件下的熱圖

圖4調(diào)節(jié)器在40W下的熱性能結(jié)果表明溫度只會(huì)提高40C

圖5所示為輸出電流熱衰減結(jié)果在200LFM下LTM4636的性能非常出色可輸出40A的全電流環(huán)境溫度最高為83C20A半電流衰減只會(huì)出現(xiàn)在環(huán)境溫度達(dá)到110C時(shí)這樣只要有氣流LTM4636都能在高容量下運(yùn)行

圖5熱衰減表明在83C最高環(huán)境溫度200LFM下全電流可達(dá)40A

圖6所示高轉(zhuǎn)換效率主要?dú)w功于高性能MOSFET和LTM4636超強(qiáng)的性能例如12V輸入電源降壓DCDC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)

9512V輸入電壓轉(zhuǎn)換為33V25A

9312V輸入電壓轉(zhuǎn)換為18V40A

8812V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1V40A

圖6多種輸出電壓下的高DCDC轉(zhuǎn)換效率

帶熱平衡的140W可擴(kuò)展式4A40AModulePOL調(diào)節(jié)器

一個(gè)LTM4636的額定輸出負(fù)載電流為40A在電流共享模式或并聯(lián)下2個(gè)LTM4636可以支持80A4個(gè)可以支持160A通過(guò)并聯(lián)LTM4636的方式提高電源電流非常簡(jiǎn)單只需復(fù)制和粘貼單個(gè)調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)起來(lái)非常簡(jiǎn)單只需復(fù)制一個(gè)通道的布局即可

借助LTM4636的電流模式結(jié)構(gòu)可以在多個(gè)40A模塊之間實(shí)現(xiàn)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160A調(diào)節(jié)器有4個(gè)Module模塊在滿足這些指標(biāo)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(jī)制的設(shè)計(jì)

圖8并行運(yùn)行的4個(gè)LTM4636之間的精確電流共享在160A應(yīng)用中溫度僅升高40C

圖9帶4個(gè)Module模塊的140W調(diào)節(jié)器的效率

圖10所示為完整的160A設(shè)計(jì)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(shù)量在圖10中4個(gè)LTM4636相互反相90

圖10這款140W的調(diào)節(jié)器搭載4個(gè)并行運(yùn)行的LTM4636采用精確電流共享模式在160A應(yīng)用中12V輸入電壓轉(zhuǎn)換為09V輸出電壓的效率非常出色

結(jié)論

為密集型系統(tǒng)選擇POL調(diào)節(jié)器僅僅檢查器件的額定電壓和額定電流是不夠的必須評(píng)估器件封裝的熱特性因?yàn)榇隧?xiàng)指標(biāo)決定著冷卻成本PCB的成本以及最終產(chǎn)品的尺寸使用3D也稱為堆疊垂直技術(shù)CoP封裝可以將高功率POL模塊調(diào)節(jié)器放在較小的PCB空間中但更重要的是可以實(shí)現(xiàn)效率冷卻

作者AfshinOdabaee

來(lái)源ADI

聲明

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