功率更大、尺寸更小和溫度更低的負(fù)載點(diǎn)DC/DC調(diào)節(jié)

當(dāng)發(fā)現(xiàn)一款功能合適的穩(wěn)壓器解決方案時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行功率損失和熱阻評(píng)估。倘若這兩項(xiàng)參數(shù)不能滿足系統(tǒng)的散熱要求(特別是當(dāng)系統(tǒng)必須在高環(huán)境溫度條件下運(yùn)作時(shí))，就會(huì)導(dǎo)致一款原本不錯(cuò)的穩(wěn)壓器解決方案大打折扣。顯然，轉(zhuǎn)換效率必須很高，以限制功率損耗，而且封裝設(shè)計(jì)必須具備很低的內(nèi)部熱阻以及很低的環(huán)境連接熱阻。隨著解決方案的縮小，穩(wěn)壓器和電路板之間的熱阻面積也減小了，這就使得保持電路板低溫度更加困難了，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器通常將大多數(shù)功率損耗傳導(dǎo)到系統(tǒng)電路板中，從而顯著提高了系統(tǒng)的內(nèi)部溫度。

真正的問(wèn)題：熱量和冷卻成本

系統(tǒng)和熱設(shè)計(jì)工程師花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)這些復(fù)雜的電子系統(tǒng)進(jìn)行建模和評(píng)估，以設(shè)計(jì)能去除以熱量形式體現(xiàn)功率損耗的解決方案。一般用空氣流動(dòng)和散熱器來(lái)去除這種不想要的熱量。真正的問(wèn)題是，隨著系統(tǒng)內(nèi)部溫度的升高，新式處理器、FPGA和定制ASIC通常消耗顯著增大的功率。不幸的是，這需要電源穩(wěn)壓器提供更多功率，而且將增大內(nèi)部功率損耗，從而進(jìn)一步升高系統(tǒng)溫度。因此，消除功率損耗和熱量是非常重要，而且高密度電源解決方案必須限制功率損耗，并有效地消除熱量。但是，封裝極其緊湊的電源解決方案要么耗散過(guò)多的功率，要么無(wú)法有效地移除熱量，因此假如不實(shí)施大幅度的降額就不能在高溫環(huán)境中運(yùn)作。需要一種適合的解決方案來(lái)幫助緩解這一實(shí)際問(wèn)題。

毫不奇怪，為了使大功率設(shè)計(jì)的溫度保持在合理水平，注意冷卻方法是至關(guān)重要的。安裝風(fēng)扇、冷卻板、散熱器以及有時(shí)將系統(tǒng)浸沒(méi)到特殊液體中都是一些設(shè)計(jì)師被迫采用的方法的實(shí)例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過(guò)，如果一個(gè)大功率負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器能提供所需功率，同時(shí)能均勻和高效率地消散熱量，那么冷卻這部分電路的要求就會(huì)降低，從而能減少冷卻系統(tǒng)的尺寸、重量、維護(hù)工作和成本。

功率密度是誤導(dǎo)

談?wù)摳吖β拭芏菵C/DC穩(wěn)壓器是誤導(dǎo)的，因?yàn)樗簧婕捌骷囟葐?wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師決定選用一款可滿足系統(tǒng)對(duì)于DC/DC穩(wěn)壓器的電氣、物理和電源要求的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)教會(huì)他們從器件的產(chǎn)品手冊(cè)中尋覓到更多的相關(guān)信息。下面舉一個(gè)例子：如果一個(gè)2cm x 1cm的DC/DC穩(wěn)壓器向負(fù)載提供54W功率，它的功率密度額定值為27W/cm2。這一數(shù)字也許會(huì)給一些設(shè)計(jì)師留下深刻印象，并滿足他們的搜尋要求：想要的功率、想要的尺寸和想要的價(jià)格。不過(guò)，被忘記的是熱量最終會(huì)轉(zhuǎn)變成溫度上升。如欲獲取重要的相關(guān)信息，則需研究分析DC/DC穩(wěn)壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結(jié)點(diǎn)至外殼”、“結(jié)點(diǎn)至空氣”和“結(jié)點(diǎn)至PCB”熱阻數(shù)值。

繼續(xù)看上面的例子，該器件還有另一個(gè)吸引人的屬性。它以令人印象深刻的90%的效率工作。它消耗6W功率，同時(shí)提供54W輸出，所采用的封裝具備20oC/W結(jié)點(diǎn)至空氣的熱阻。6W乘以20oC/W，結(jié)果為在環(huán)境溫度之上升高120oC。當(dāng)在45oC的環(huán)境溫度時(shí)，這個(gè)似乎令人印象深刻的DC/DC穩(wěn)壓器封裝結(jié)溫的計(jì)算結(jié)果就是165oC。165oC不是一個(gè)令人感覺(jué)很好的值，原因有兩點(diǎn)：(a)它高于大多數(shù)硅IC大約為120oC的最高溫度；(b)它需要特別關(guān)注，以保持結(jié)溫在一個(gè)低于120oC的較安全值。

上述的簡(jiǎn)單計(jì)算有時(shí)會(huì)被忽視了。一個(gè)看似滿足所有電氣和功率要求的DC/DC穩(wěn)壓器未能滿足系統(tǒng)的熱量指導(dǎo)原則，或者被證明由于在安全的溫度環(huán)境中工作需要采取額外措施，因此用起來(lái)太過(guò)昂貴。在首次參與評(píng)估電壓、電流和尺寸等屬性時(shí)，記著研究DC/DC穩(wěn)壓器的熱性能是很重要的。

本文將介紹一種新的高密度和可擴(kuò)展的LTM4620微型模塊(μModule?)穩(wěn)壓器。內(nèi)容將包括電氣、機(jī)械/封裝和熱性能以及不同的可擴(kuò)展型電源設(shè)計(jì)。目標(biāo)是展示一種新的高密度、可擴(kuò)展的電源穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器具備卓越的電氣性能、低功率損耗和獨(dú)特的耐熱增強(qiáng)型封裝設(shè)計(jì)，可幫助克服高功率密度挑戰(zhàn)。

LTM4620雙通道13A或單通道26A μModule穩(wěn)壓器

圖1顯示了LTM4620 μModule穩(wěn)壓器的照片。LTM4620采用SIP(系統(tǒng)級(jí)封裝)，是15mm x 15mm x 4.41mm LGA器件。它能在13A時(shí)提供兩個(gè)獨(dú)立輸出，或在26A時(shí)提供單個(gè)輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)卓越的熱量管理。

圖1：LTM4620封裝：15mm x 15mm x 4.41mm LGA

圖2顯示了LTM4620 μModule穩(wěn)壓器的方框圖。LTM4620由兩個(gè)高性能同步降壓型穩(wěn)壓器組成。輸入電壓范圍為4.5V至16V，輸出電壓范圍為0.6V至2.5V，而LTM4620A的輸出電壓范圍為0.6V至5.5V。LTM4620的電氣特性為±1.5%的總輸出準(zhǔn)確度、經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的準(zhǔn)確均流、快速瞬態(tài)響應(yīng)、具備自定時(shí)和可編程相移的多相并聯(lián)工作、頻率同步以及準(zhǔn)確的遠(yuǎn)端采樣放大器。

保護(hù)功能包括反饋參考的輸出過(guò)壓保護(hù)、折返過(guò)流保護(hù)和內(nèi)部溫度二極管監(jiān)視。

圖2：LTM4620方框圖
INTERNAL COMP：內(nèi)部比較器
POWER CONTROL：電源控制

LTM4620獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)

圖3顯示了一個(gè)尚未模制的LTM4620之染色側(cè)視圖和頂視圖。封裝設(shè)計(jì)由熱傳導(dǎo)性很高的BT襯底和足夠的銅箔層組成，以提高電流承載能力并實(shí)現(xiàn)至系統(tǒng)電路板的低熱阻。一種專有引線框架功率MOSFET棧用來(lái)提供高功率密度、低互連電阻、以及給器件的頂部和底部提供很高的熱傳導(dǎo)性。專有散熱器設(shè)計(jì)連接到功率MOSFET棧和功率電感器上，以提供有效的頂部散熱?？梢栽陧敳康穆懵督饘倜嫔霞由弦粋€(gè)外部散熱器，以利用空氣流動(dòng)去除熱量。由于該專有散熱器的構(gòu)造和模制封裝，僅有氣流而沒(méi)有散熱器就可去除頂部的熱量。

圖3：LTM4620的染色側(cè)視圖和尚未模制的LTM4620
Top Side Heat Sinking：頂部散熱
Bottom Side Heat Sinking：底部散熱
Power MOSFET Stack：功率MOSFET棧
Power Inductors：功率電感器

圖4顯示了LTM4620的熱像以及在26A設(shè)計(jì)時(shí)12V至1V的降額曲線。當(dāng)具有200LFM氣流時(shí)，溫升僅為35°C(在環(huán)境溫度以上)，而且降額曲線顯示：一直到大約80°C時(shí)最大負(fù)載電流都無(wú)需降額。圖4顯示了熱量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了耐熱增強(qiáng)型高密度電源穩(wěn)壓器解決方案的真正優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)在小尺寸中盡可能減少功率損耗，并有效地去除了作為功率損耗函數(shù)的熱量。

圖4：LTM4620熱像及減額曲線
CURRENT：電流
AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度

LTM4620的電氣性能

圖5顯示以雙輸出均流模式工作的LTM4620。這種配置提供密度非常高的1.5V/26A解決方案。RUN、TRACK、COMP、VFB、PGOOD和VOUT引腳連接在一起，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作。該設(shè)計(jì)顯示了一種利用一個(gè)LTC2997溫度傳感器監(jiān)視器監(jiān)視LTM4620內(nèi)部溫度二極管的方式。溫度采樣二極管可由很多不同的器件監(jiān)視，這些器件監(jiān)視一個(gè)連接二極管的晶體管。

圖5：LTM4620、兩相1.5V/26A并聯(lián)輸出
5V TO 16V INTERMEDIATE BUS：5V至16V中間總線
PULL-UP RESISTOR AND ZENER ARE OPTIONAL：上拉電阻器和齊納二極管是可選的

圖6顯示兩相并聯(lián)輸出、1.5V時(shí)的效率和兩通道均流性能。就如此高密度的解決方案而言，86%的效率是相當(dāng)好的，而且正如圖4的熱量數(shù)據(jù)所示，由于電路板安裝后的低?JA熱阻，溫度上升得到了良好控制。有效的頂部和底部散熱系統(tǒng)使LTM4620能以很少的溫度上升及滿功率工作。圖6顯示了VOUT1和VOUT2的均流性能。LTM4620的內(nèi)部控制器經(jīng)過(guò)了準(zhǔn)確微調(diào)和測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)輸出均流。這使LTM4620成為高密度、可擴(kuò)展電源解決方案的卓越選擇。高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)電流模式架構(gòu)很好地滿足了高性能處理器、FPGA和定制ASIC所需的低壓內(nèi)核電源要求。

圖6：兩相、1.5V的效率和均流圖
EFFICIENCY：效率
OUTPUT CURRENT：輸出電流
Dual LTM4620 Single Output Current Sharing：雙LTM4620單輸出均流
TOTAL CURRENT：總電流

出色的輸出電壓初始準(zhǔn)確度