優(yōu)化便攜設(shè)備中大輸出電流DC-DC轉(zhuǎn)換的熱耗散

圖1 Vin=2.7 V、Vout=1.2 V、溫度為85℃時(shí)的NCP1529能效

將這些數(shù)值代入等式1，得到下面的功率耗散最壞情況的表達(dá)式：

這個(gè)數(shù)字非常重要，可以幫助我們優(yōu)化各種應(yīng)用的熱性能。

功率與溫度的相關(guān)性

熱阻抗(RθJA)用于描述封裝將熱量從硅結(jié)點(diǎn)傳遞到外界環(huán)境中的能力。熱阻抗越低，器件就能夠越好地傳遞大量熱量。RθJA的表達(dá)單位為℃/W，因此我們?yōu)楣こ處熖峁┝艘粋€(gè)工具，可將以瓦(W)計(jì)算的電氣功率(耗散)與以攝氏度(℃)為單位的溫度關(guān)聯(lián)起來。

在最新電源器件的數(shù)據(jù)表中，往往宣稱器件的RθJA值極低。但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如果期望在終端產(chǎn)品中達(dá)到預(yù)期的性能，必須密切注意電路板布線和PCB的熱設(shè)計(jì)。NCP1529的數(shù)據(jù)表顯示了器件單獨(dú)的RθJA(µDFN-6封裝，220℃/W)，以及這款器件用于推薦的電路板布線時(shí)的RθJA(40℃/W)。這些數(shù)字顯示PCB設(shè)計(jì)對(duì)熱阻抗有顯著影響。事實(shí)上，遵從器件制造商的建議能夠?qū)⒂行У腞θJA降低5倍。

知道了RθJA和PDIP(max)，就可以使用下面的等式計(jì)算出應(yīng)用能夠承受的最大環(huán)境溫度：

此處，TJmax是器件能夠承受的最大結(jié)溫（NCP1529對(duì)應(yīng)的溫度為150℃）。

需要注意的是，NCP1529同時(shí)提供TSOP-5和µDFN-6封裝，我們可以快速地確定每種封裝選擇對(duì)工作性能的影響。表1歸納了各種封裝的功率耗散、封裝熱阻抗和計(jì)算出的最高環(huán)境溫度。

表1顯示，要想轉(zhuǎn)換器在最高的環(huán)境溫度下令人滿意地工作，封裝選擇是要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)事項(xiàng)。

表1：電氣域與熱域之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

另一種評(píng)估封裝熱特性對(duì)應(yīng)用性能影響的方法是檢查功率下降曲線。圖2顯示了NCP1529的曲線，詳述了µDFN-6和TSOP-5封裝最大環(huán)境溫度閾值與功率耗散之間的關(guān)系。

圖2 IC功率下降特性曲線

環(huán)境溫度低于70℃時(shí)，TSOP-5和µDFN-6封裝都可以耗散720mW的功率，因此能滿足這一應(yīng)用的最壞情況要求。然而，µDFN-6封裝的功率耗散能力更強(qiáng)，與采用TSOP-5封裝的同等轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相比，能夠承受的溫度更高。

µDFN-6封裝的性能優(yōu)勢(shì)歸因于其熱增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，裸露的金屬焊盤顯著降低了裸片到PCB的熱阻抗。

熱設(shè)計(jì)指南

在每次計(jì)算中，TA值都假定是最佳可能的熱阻抗，也就是使用建議的電路板布線時(shí)所能達(dá)到的熱阻抗。如前文所述，電路板布線對(duì)器件熱性能以及相應(yīng)的應(yīng)用有極大影響。設(shè)計(jì)師在使用任何DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)都應(yīng)當(dāng)查詢所選元件的文檔，確保通過硬件實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)時(shí)能夠達(dá)到預(yù)期的性能。

熱性能的提高可以可以通過以下特性來優(yōu)化，譬如加設(shè)散熱通孔、將關(guān)鍵跡線(trace)寬度拓至最寬、使用對(duì)接地層或電源層的熱連接，或是指定熱性能增強(qiáng)的PCB材料（如絕緣金屬基板）。NCP1529的熱設(shè)計(jì)指南建議將VIN跡線加寬，并增加幾個(gè)通孔，建立多個(gè)對(duì)電源層的熱連接。此外，建議將穩(wěn)壓器的接地引腳連接至PCB頂層。頂層、底層及所有接地層之間應(yīng)當(dāng)使用空余的通孔來連接，從而增加散熱器的有效尺寸，而且這些通孔應(yīng)當(dāng)離得越近越好，或者在使用µDFN-6封裝時(shí)最好位于裸露焊盤底下。µDFN-6裸露焊盤必須被正確地焊接至PCB主散熱器。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員也必須牢記電路板布線對(duì)轉(zhuǎn)換器電氣性能的影響。優(yōu)化的熱布線應(yīng)當(dāng)具備輔助功能，如為大電流通道設(shè)置寬跡線，以及單獨(dú)的電源層和接地層等，將穩(wěn)壓器的噪聲免疫性和環(huán)路穩(wěn)定性提升至最佳。

圖3顯示了使用µDFN-6封裝的NCP1529時(shí)推薦的焊盤布線，顧及到了電氣和熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。紅色箭頭表示熱能由封裝流向周圍環(huán)境。

圖3 建議的NCP1529 μDFN-6電路板布線

結(jié)論

設(shè)計(jì)人員要在當(dāng)今便攜產(chǎn)品嚴(yán)苛的空間限制下應(yīng)用高性能DC-DC轉(zhuǎn)換器，必須密切注意工作條件、功率耗散、元器件性能和熱設(shè)計(jì)。與舊款的功率封裝相比，具有熱增強(qiáng)特性的最新小型封裝技術(shù)支持更高的功率耗散。便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過將這些最新小型封裝同板級(jí)的熱設(shè)計(jì)相結(jié)合，就能夠在小空間中視實(shí)現(xiàn)可靠的大電流設(shè)計(jì)。