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从事高效紧凑式DCDC转换器设计艺术的是一群精英工程师他们对转换设计相关物理学原理和相关数学知识有着深入的理解还拥有丰富的实践工作经验凭借对波特图麦克斯韦方程组以及极点和零点的深入理解他们可以打造出优雅的DCDC转换器设计然而IC设计师通常会回避棘手的散热问题这项工作通常属于封装工程师的职责范围

在负载点POL转换器中专用IC之间的空间有限因此散热是个大问题POL调节器会产生热量因为目前还没有电压转换的效率能达到100受结构布局和热阻影响封装会变得多热封装的热阻不仅会提高POL调节器的温度还会增加PCB及周围组件的温度因而会增加系统散热机制的复杂性尺寸和成本

PCB上的DCDC转换器封装主要有两种散热方式

通过PCB散热

如果转换器IC采用表贴封装则PCB上的导热性铜通孔和隔层会从封装底部散热如果封装对PCB的热阻很低采用这种散热方式足矣

增加气流

利用冷气流去除封装的热量更准确地说热量被转移到与封装表面接触的快速运动的较冷空气分子中

当然还有被动式散热法和主动式散热方法但为简化讨论我们将它们视为第二类的子集

面对上升的组件温度PCB设计师可以从标准散热工具箱里去找常用的工具比如增加铜加装散热器使用更大更快的风扇也可以简单地增加空间使用更多PCB空间增加PCB上组件之间的距离或者增加PCB层的厚度

任何这些工具都可以用在PCB上使系统温度维持在安全限值以内但是使用这些补救措施会降低最终产品在市场上的竞争优势产品如路由器可能需要使用更大的外壳才能在PCB上为组件留出必要的间隔空间如果加装速度更快的风扇以增加气流结果可能会增加噪声这可能会使最终产品在市场上失去优势因为企业的竞争优势体现在紧凑性计算能力数据速率效率和成本等方面

要在高功耗POL调节器周围成功实现散热管理就需要选择正确的调节器而这又要求进行仔细的研究本文将展示如何通过选择正确的调节器简化电路板设计师的工作

切勿仅凭功率密度来判断POL调节器

市场上有多种因素要求我们完善电子设备的散热性能最为明显的是即使产品尺寸不断缩小性能也会持续提升例如28nm至20nm和亚20nm级的数字器件需要较大功耗才能达到性能要求因为创新设备设计师要用这些小型工艺生产更快更小更安静更高效的器件从这一趋势可以得出的明显结论是POL调节器必须提高功率密度功率体积或功率面积

不足为奇的是在有关调节器的文献中功率密度一般被当作一项重要指标较大的功率密度可使调节器脱颖而出当设计师从众多调节器中进行选择时可以作为参考指标40Wcm2POL的调节器必然优于30Wcm2的调节器

产品设计师想把更高的功率塞进更紧凑的空间中乍一看超高的功率密度数值似乎是实现最快最小最安静最高效的产品的最佳途径就如用马力比较汽车性能一样但是功率密度在实现成功的最终设计方面到底有多重要可能不如你想像的重要

POL调节器必须符合其应用的要求选择POL调节器时必须确保其具备在PCB上完成任务的能力因为热量处理既可能成就应用也可能毁掉应用以下是针对POL调节器的逐步选择流程建议其中突出了热性能的重要性

忽略功率密度数值

功率密度指标忽略了热衰减问题但该问题对真实有效功率密度的影响要大得多

检查调节器的热衰减曲线

配有完整文档并且技术指标齐全的POL调节器应该配有对应的图形其中标示了不同输入电压输出电压和气流风速下的输出电流数据手册应该展示POL调节器在真实工作条件下的输出电流能力以便从热性能和负载电流性能的角度判断调节器的适用性是否符合系统的典型和最大环境温度和气流风速要求记住输出电流热衰减与器件的热性能相关二者密切相关同等重要

效率考虑

是的效率不是第一考虑因素独立使用时效率结果可能无法准确体现DCDC调节器的热特性当然效率值对于计算输入电流和负载电流输入功耗功率损耗和结温是必不可少的效率值必须与输出电流衰减和与器件及其封装相关的其他热数据结合使用

例如效率为98的DCDC降压转换器是非常不错的如果它的功率密度值也非常出色无异于锦上添花与效率更低功率密度更低的调节器相比你会买它吗精明的工程师应该问问看似不重要的2效率损失有什么影响在运行过程中这些功耗会对封装温度的升高产生什么样的影响在60C环境温度以及200LFM线性英尺分的风速下高功率密度型高效调节器的结温有多高不要只看25C室温下的典型值极温下的最大值和最小值是多少40C85C或125C高功率密度下封装热阻会升高到非常高的水平使结温快速超过安全工作温度吗效率很高但价格昂贵的调节器要求多少衰减衰减输出电流值会不会削弱输出功率性能从而使器件的额外成本失去意义

考虑POL调节器冷却的便利性

数据手册中的封装热阻值是模拟和计算器件结温环境温度和外壳温度的关键由于表贴式封装中会有大量热量从封装底部流到PCB电路板所以必须在数据手册中标明有关热量测量的布局指引和讨论结果以减少系统原型开发过程出现的突发情况

设计精良的封装应该通过表面高效均匀地散热从而消除可能导致POL调节器性能出现衰减的热点如上所述PCB负责吸收和路由来自表贴式POL调节器的大部分热量随着强制气流散热方式在当今的高密度和高复杂度的系统中日渐流行设计精良的POL调节器也应该利用这一免费的冷却机会为MOSFET电感等发热部件散热

把热量从封装顶部引至空气中

高功率开关POL调节器用电感或变压器把输入电源电压转换成稳压输出电压在非隔离式降压POL调节器中器件采用电感电感和相关开关元件如MOSFET在DCDC转换过程中会产生热量

大约十年前封装技术取得显著进步使得包括磁体在内的整个DCDC调节器电路均可被设计和安装在称为模块或SiP的超模压塑封装中在该超模压塑封装中产生的大部分热量都被通过封装底部路由至PCB试图改善封装散热能力的任何常规做法比如在表贴封装顶部加装一个散热器都会增大封装尺寸

几年前一种新型模块封装技术被开发出来利用气流辅助冷却在该封装设计中一个散热器被集成到模块封装当中并经嵌件注塑处理在封装内部散热器底部直接连接MOSFET和电感散热器的顶面则是一个平面裸露在封装顶部借助这种新型封装内散热技术用气流即可使器件快速冷却下来有关示例请点击此处观看LTM4620TechClip视频

采用垂直模式以堆叠式电感作为散热器的POL模块调节器

POL调节器中的电感的大小取决于电压开关频率电流处理性能及其结构在模块化设计中DCDC电路包括电感被超模压塑并密封在塑料封装中与IC类似电感而非任何其他组件决定封装的厚度体积和重量电感也是一个重要的热源

把散热器集成到封装中有助于将来自MOSFET和电感的热量传导至封装顶部从而散发到空气冷板或无源散热器中在可以轻松将较小的低电流电感装进封装塑料模具材料的情况下这种技术非常有效但在POL调节器需要采用大型高电流电感的情况下由于要把磁体装进封装就必须扩大其他电路组件的间距会大幅增大封装PCB占位面积所以其有效性会大打折扣为了既保持较小的占位面积又改进散热性能封装工程师开发了另一种技术垂直堆栈或称3D图1

图1高功率POL调节器模块运用3D垂直封装技术升高电感位置并使电感作为散热器暴露在气流下剩下的DCDC电路装配在电感下方的衬底上既能减少需要的PCB面积又能改善热性能

采用裸露堆叠式电感的3D封装保持较小的占位面积提高功率完善散热

较小的PCB占位面积更高的功率和更好的散热性能有了3D封装一种新型POL调节器构造方法见图1可以同时实现这三个目标LTM4636是一款Module调节器板载DCDC调节器ICMOSFET支持电路和一个大型电感可减少输出纹波提供最高40A的负载电流输入电压为12V精密调节输出电压范围为06V至33V4个LTM4636器件并联可以通过电流共享方式提供160A的负载电流封装的占位面积仅为16mm16mm该系列另有一款调节器LTM46361可以检测过温和输入输出过压条件并且能断开上行电源或断路器以保护自己及其负载

功率至上者可以计算LTM4636的功率密度并对计算得到的数值感到满意但如前所述功率密度数值并非全部这款Module调节器还能给系统设计师的工具箱带来其他显著优势卓越的DCDC转换效率和无与伦比的散热能力成就出色的散热性能

为了尽量减小调节器的占位面积16mm16mmBGA将电感抬高并固定在两个铜引线框架上以便把其他电路组件二极管电阻MOSFET电容DCDCIC装在其下方的衬底上如果将电感装在衬底上Module调节器可以轻松占用超过1225mm2而非256mm2的PCB面积图2

图2作为一款完整的POL解决方案LTM4636堆叠式电感兼任散热器之职可实现卓越的散热性能具有占位面积小巧的特点

借助堆叠式电感结构系统设计师既可打造出紧凑的POL调节器同时还可享有卓越的散热性能与其他组件不同LTM4636中的堆叠式电感未采用超模压塑密封封装而是直接暴露在气流下电感外壳的形状采用圆角设计以提高空气动态性能减少对气流的阻碍

图3LTM4636的模拟散热行为显示热量可以被轻松转移到暴露在气流下的电感封装上

散热性能和效率

主体是16mm16mm191mm超模BGA封装LTM4636的电感堆叠于超模成型部分的顶部从BGA焊球共144个底部到电感顶部的封装总高度为716mm

除了从顶部散热以外LTM4636还采用了专门设计可以高效地把来自封装底部的热量散发到PCB这款器件有144个BGA焊球高电流在GNDVIN和VOUT专用库中流动这些焊球共同充当PCB的散热器LTM4636经过优化可以同时散发来自封装顶部和底部的热量如图3所示

即使在较大转换比12V输入1V输出40A40W的全负载电流和200LFM的标准气流条件下LTM4636封装的温度也只会比环境温度25C至265C高40C图4所示为LTM4636在这些条件下的热图

图4调节器在40W下的热性能结果表明温度只会提高40C

图5所示为输出电流热衰减结果在200LFM下LTM4636的性能非常出色可输出40A的全电流环境温度最高为83C20A半电流衰减只会出现在环境温度达到110C时这样只要有气流LTM4636都能在高容量下运行

图5热衰减表明在83C最高环境温度200LFM下全电流可达40A

图6所示高转换效率主要归功于高性能MOSFET和LTM4636超强的性能例如12V输入电源降压DCDC转换器可以实现

9512V输入电压转换为33V25A

9312V输入电压转换为18V40A

8812V输入电压转换为1V40A

图6多种输出电压下的高DCDC转换效率

带热平衡的140W可扩展式4A40AModulePOL调节器

一个LTM4636的额定输出负载电流为40A在电流共享模式或并联下2个LTM4636可以支持80A4个可以支持160A通过并联LTM4636的方式提高电源电流非常简单只需复制和粘贴单个调节器的占位面积即可如图7所示提供符合和占位面积

图7并联LTM4636设计起来非常简单只需复制一个通道的布局即可

借助LTM4636的电流模式结构可以在多个40A模块之间实现精确电流共享在精密电流共享模式下电流会把热量均匀地分布在各个器件上图8所示160A调节器有4个Module模块在满足这些指标下所有器件的工作温度都能相互平衡确保任何单个器件都会过载或过热这就极大地简化了散热机制的设计

图8并行运行的4个LTM4636之间的精确电流共享在160A应用中温度仅升高40C

图9带4个Module模块的140W调节器的效率

图10所示为完整的160A设计注意LTM4636无需时钟器件即可相互反相工作包括时钟和相位控制多相工作模式下可以减少输出和输入纹波电流从而减少所需输入和输出电容的数量在图10中4个LTM4636相互反相90

图10这款140W的调节器搭载4个并行运行的LTM4636采用精确电流共享模式在160A应用中12V输入电压转换为09V输出电压的效率非常出色

结论

为密集型系统选择POL调节器仅仅检查器件的额定电压和额定电流是不够的必须评估器件封装的热特性因为此项指标决定着冷却成本PCB的成本以及最终产品的尺寸使用3D也称为堆叠垂直技术CoP封装可以将高功率POL模块调节器放在较小的PCB空间中但更重要的是可以实现效率冷却

作者AfshinOdabaee

来源ADI

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