電源管理系統(tǒng)的散熱問題及解決辦法

　　設(shè)計一款功率轉(zhuǎn)換器并不簡單，因為其中涉及多方面的技術(shù)知識。出色的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計工程師必須對模擬及混合信號電路的設(shè)計、變壓器繞組、電磁兼容性、封裝及散熱設(shè)計有一定的認(rèn)識。由于電子產(chǎn)品的功率密度越來越大，加上不同的電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此工程師必須審慎考量，作出最適當(dāng)?shù)娜∩幔趴纱_保所采用的封裝及散熱設(shè)計能夠滿足電源管理系統(tǒng)的要求。部分電子產(chǎn)品需要傳送大量數(shù)據(jù)，令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，因此散熱系統(tǒng)的設(shè)計越來越受到高度的關(guān)注。

　　稱為“磚塊”的模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器在上一世紀(jì)的八十年代中期正式面世，自此以后，這方面的技術(shù)發(fā)展非常迅速。以十六分之一 磚塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例來說， 1.2 平方英吋的印刷電路板板面空間可轉(zhuǎn)換功率高達(dá) 33W 至 50W。

　　電信系統(tǒng)總線可以在 36V 至 72V 的電壓范圍內(nèi)操作，這個電壓范圍比容差較小的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總線更為廣闊?？偩€轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)在總線上進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，其中的每一張子卡都互相分隔開。轉(zhuǎn)換器采用這種磚塊格局尚屬首次，但磚塊結(jié)構(gòu)有它的優(yōu)點(diǎn)，因為子卡上的供電可直接輸入負(fù)載電路。近年來數(shù)字信號處理器及數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路大受歡迎，因此中間總線結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是總線轉(zhuǎn)換器可以提供隔離的 12V 至 14V 供電，而卡上負(fù)載的點(diǎn)負(fù)載穩(wěn)壓器則負(fù)責(zé)進(jìn)一步的功率轉(zhuǎn)換。

　　設(shè)計電源供應(yīng)器的工程師一旦為應(yīng)用系統(tǒng)選定電路布局之后，便要面對以下的問題：究竟需要多少功率轉(zhuǎn)換級 1 ？轉(zhuǎn)換器究竟應(yīng)采用硬開關(guān)還是軟開關(guān)？由于這兩個問題的關(guān)系，選用哪一類開關(guān)及整流器便顯得極為重要。大部分磚塊式轉(zhuǎn)換器都采用功率 MOSFET 組建電源開關(guān)及低電壓同步整流器。經(jīng)過多年的發(fā)展，MOSFET 技術(shù)已相當(dāng)成熟，現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計工程師甚至可以選用具有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RDS-ON) 的溝道型芯片及極間電容較低的平面型芯片。電壓及電流的額定值一旦確定之后，選用哪一類芯片便要視乎芯片的最大損耗究竟來自開關(guān)速度還是來自導(dǎo)通狀態(tài)電阻？近來，CDG / CGS 比率受到系統(tǒng)設(shè)計工程師高度的重視，因為這個比率是顯示高功率、高頻率的半橋式功率轉(zhuǎn)換級會否出現(xiàn)射穿情況的指標(biāo)。

開關(guān)頻率及電磁干擾之間的適當(dāng)平衡

　　好的功率轉(zhuǎn)換器除了要有較高的開關(guān)頻率之外，也要顧及系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率及電磁干擾。換言之，各方面都要兼顧，力求取得適當(dāng)?shù)钠胶?。開關(guān)頻率越高，電源開關(guān)、整流器及控制電路的開關(guān)損耗便會越高。以模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器來說，只要提高開關(guān)頻率便可采用較小的濾波器及能源儲存元件，這是提高開關(guān)頻率的好處。但以采用硬開關(guān)的系統(tǒng)來說，電源管理芯片的高頻信號會出現(xiàn)較多諧波，令芯片與散熱器或供電層之間的雜散電容出現(xiàn)大量位移電流。這些位移電流甚至?xí)魅胱儔浩鞯木€圈電容，最后甚至?xí)斐晒材８蓴_。

　　以采用直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制及驅(qū)動系統(tǒng)來說，工程師設(shè)計集成電路及其封裝時，已考慮到磚塊轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)而作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。以電路的設(shè)計來說，更高的技術(shù)集成度、板上高電壓穩(wěn)壓器、更高時鐘頻率以及可編程壓擺率的低射穿驅(qū)動器都適合新一代的設(shè)計采用 2。散熱是設(shè)計電源管理集成電路需要面對的主要問題。電源管理集成電路內(nèi)置的驅(qū)動器、穩(wěn)壓器通道晶體管以及電源開關(guān)都設(shè)于裸片的外圍，緊貼焊盤。這些內(nèi)置芯片及晶體管進(jìn)行操作時，熱能會傳遍整顆裸片，形成一幅由不同等溫線組成的熱能“分布圖”。若不同的晶體管分別設(shè)于不同的等溫線之上，部分次電路 (尤其是溫度必須相匹配的差分電路) 便會在性能上受到影響。集成電路的線路布局必須作出調(diào)整，例如芯片正常操作時，不同晶體管在同一時間內(nèi)都處于相同的溫度之下，但要取得這樣的效果并不容易。電源管理集成電路的縮微圖顯示部分芯片經(jīng)常采用交叉耦合的設(shè)計，以便可以在初期階段減少熱能的耗散量。

圖1：LLP 封裝的正面及反面

　　圖 1 顯示的無引線導(dǎo)線封裝 (LLPÒ) 是一種有導(dǎo)線的芯片級封裝 (CSP)，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高芯片的速度，降低熱阻以及占用較少印刷電路板的板面空間。由于這種封裝具有體積小巧及外型纖薄的優(yōu)點(diǎn)，因此最適用于設(shè)有模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器、元件較為密集的多層式印刷電路板。

圖2：LLP 封裝的有限接線原理圖 (finite element plot)

LLP 封裝有如下的優(yōu)點(diǎn)：