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從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選

發(fā)布時(shí)間:2018-01-10 來源:Afshin Odabaee 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】從事高效、緊湊式DC-DC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DC-DC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。
 
要在高功耗負(fù)載點(diǎn)(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。今天我們就來說說如何通過選擇正確的調(diào)節(jié)器,達(dá)到簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)師工作的目的。
 
在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)椋壳埃┻€沒有電壓轉(zhuǎn)換的效率能達(dá)到10%。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DC-DC轉(zhuǎn)換器封裝主要有兩種散熱方式:
 
通過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,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。
 
切勿僅憑功率密度來判斷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,28 nm至20 nm和亞20 nm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)。40 W/cm2POL的調(diào)節(jié)器必然優(yōu)于30 W/cm2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)果可能無法準(zhǔn)確體現(xiàn)DC-DC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DC-DC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60°C環(huán)境溫度以及200 LFM(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(jié)溫快速超過安全工作溫度嗎?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)過程出現(xiàn)的突發(fā)情況。
 
設(shè)計(jì)精良的封裝應(yīng)該通過表面高效、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DC-DC轉(zhuǎn)換過程中會(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)DC-DC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,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。
 
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,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?;蚍Q3D(圖1)。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
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。
 
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μModule®調(diào)節(jié)器,板載DC-DC調(diào)節(jié)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(fù)載電流,輸入電壓為12 V,精密調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為0.6 V至3.3 V。4個(gè)LTM4636器件并聯(lián)可以通過電流共享方式提供160 A的負(fù)載電流。封裝的占位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調(diào)節(jié)器LTM4636-1,可以檢測(cè)過溫和輸入/輸出過壓條件,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μModule調(diào)節(jié)器還能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工具箱帶來其他顯著優(yōu)勢(shì):卓越的DC-DC轉(zhuǎn)換效率和無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(16 mm × 16 mm BGA),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、DC-DC IC)裝在其下方的襯底上。如果將電感裝在襯底上,μModule調(diào)節(jié)器可以輕松占用超過1225 mm2而非256 mm2的PCB面積(圖2)。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
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)。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖3. LTM4636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還采用了專門設(shè)計(jì),可以高效地把來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)過優(yōu)化,可以同時(shí)散發(fā)來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、12 V輸入/1 V輸出、40 A (40 W)的全負(fù)載電流和200 LFM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(25°C至26.5°C)高40°C。圖4所示為L(zhǎng)TM4636在這些條件下的熱圖。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖4. 調(diào)節(jié)器在40 W下的熱性能結(jié)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(jié)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(xiàn)在環(huán)境溫度達(dá)到110°C時(shí)。這樣,只要有氣流,LTM4636都能在高容量下運(yùn)行。
 
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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(dá)40 A
 
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,12 V輸入電源降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn):
 
  1. 95%,12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V,25 A
  2. 93%,12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.8 V,40 A
  3. 88%,12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1 V,40 A
 
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圖6. 多種輸出電壓下的高DC-DC轉(zhuǎn)換效率。
 
帶熱平衡的140 W可擴(kuò)展式4A × 40A μModule POL調(diào)節(jié)器
 
一個(gè)LTM4636的額定輸出負(fù)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)。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖7. 并聯(lián)LTM4636設(shè)計(jì)起來非常簡(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)40 A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160 A調(diào)節(jié)器有4個(gè)μModule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)過載或過熱。這就極大地簡(jiǎn)化了散熱機(jī)制的設(shè)計(jì)。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖8. 并行運(yùn)行的4個(gè)LTM4636之間的精確電流共享,在160 A應(yīng)用中,溫度僅升高40°C。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖9. 帶4個(gè)μModule模塊的140 W調(diào)節(jié)器的效率。
 
圖10所示為完整的160 A設(shè)計(jì)。注意,LTM4636無需時(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°。
 
從散熱性能考慮,高功率POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該這么選
圖10. 這款140 W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160 A應(yīng)用中,12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為0.9 V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。LTM4636是從這種堆疊式封裝技術(shù)受益的第一個(gè)μModule調(diào)節(jié)器系列。作為一款以堆疊式電感作為散熱器的40 A POL μModule調(diào)節(jié)器,其效率高達(dá)95%至88%,全負(fù)載下溫度最多升高40°C,PCB占用面積只有16 mm × 16 mm。
 
 
 
 
 
 
 
 
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