功率更大、尺寸更小和溫度更低的負載點DC/DC調(diào)節(jié)

當發(fā)現(xiàn)一款功能合適的穩(wěn)壓器解決方案時，必須對其進行功率損失和熱阻評估。倘若這兩項參數(shù)不能滿足系統(tǒng)的散熱要求(特別是當系統(tǒng)必須在高環(huán)境溫度條件下運作時)，就會導致一款原本不錯的穩(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，而且封裝設計必須具備很低的內(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，因為電源穩(wěn)壓器通常將大多數(shù)功率損耗傳導到系統(tǒng)電路板中，從而顯著提高了系統(tǒng)的內(nèi)部溫度。

真正的問題：熱量和冷卻成本

系統(tǒng)和熱設計工程師花費大量時間對這些復雜的電子系統(tǒng)進行建模和評估，以設計能去除以熱量形式體現(xiàn)功率損耗的解決方案。一般用空氣流動和散熱器來去除這種不想要的熱量。真正的問題是，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多的功率，要么無法有效地移除熱量，因此假如不實施大幅度的降額就不能在高溫環(huán)境中運作。需要一種適合的解決方案來幫助緩解這一實際問題。

毫不奇怪，為了使大功率設計的溫度保持在合理水平，注意冷卻方法是至關重要的。安裝風扇、冷卻板、散熱器以及有時將系統(tǒng)浸沒到特殊液體中都是一些設計師被迫采用的方法的實例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過，如果一個大功率負載點穩(wěn)壓器能提供所需功率，同時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降低，從而能減少冷卻系統(tǒng)的尺寸、重量、維護工作和成本。

功率密度是誤導

談論高功率密度DC/DC穩(wěn)壓器是誤導的，因為它不涉及器件溫度問題。當系統(tǒng)設計師決定選用一款可滿足系統(tǒng)對于DC/DC穩(wěn)壓器的電氣、物理和電源要求的產(chǎn)品時，應當教會他們從器件的產(chǎn)品手冊中尋覓到更多的相關信息。下面舉一個例子：如果一個2cm x 1cm的DC/DC穩(wěn)壓器向負載提供54W功率，它的功率密度額定值為27W/cm2。這一數(shù)字也許會給一些設計師留下深刻印象，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格。不過，被忘記的是熱量最終會轉(zhuǎn)變成溫度上升。如欲獲取重要的相關信息，則需研究分析DC/DC穩(wěn)壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結(jié)點至外殼”、“結(jié)點至空氣”和“結(jié)點至PCB”熱阻數(shù)值。

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

上述的簡單計算有時會被忽視了。一個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，因此用起來太過昂貴。在首次參與評估電壓、電流和尺寸等屬性時，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展的LTM4620微型模塊(μModule?)穩(wěn)壓器。內(nèi)容將包括電氣、機械/封裝和熱性能以及不同的可擴展型電源設計。目標是展示一種新的高密度、可擴展的電源穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器具備卓越的電氣性能、低功率損耗和獨特的耐熱增強型封裝設計，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)級封裝)，是15mm x 15mm x 4.41mm LGA器件。它能在13A時提供兩個獨立輸出，或在26A時提供單個輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統(tǒng)，以實現(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%的總輸出準確度、經(jīng)過全面測試的準確均流、快速瞬態(tài)響應、具備自定時和可編程相移的多相并聯(lián)工作、頻率同步以及準確的遠端采樣放大器。

保護功能包括反饋參考的輸出過壓保護、折返過流保護和內(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獨特的封裝設計

圖3顯示了一個尚未模制的LTM4620之染色側(cè)視圖和頂視圖。封裝設計由熱傳導性很高的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性。專有散熱器設計連接到功率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€外部散熱器，以利用空氣流動去除熱量。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設計時12V至1V的降額曲線。當具有200LFM氣流時，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時最大負載電流都無需降額。圖4顯示了熱量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了耐熱增強型高密度電源穩(wěn)壓器解決方案的真正優(yōu)點。獨特的封裝設計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，以實現(xiàn)并聯(lián)工作。該設計顯示了一種利用一個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)過了準確微調(diào)和測試，以實現(xiàn)輸出均流。這使LTM4620成為高密度、可擴展電源解決方案的卓越選擇。高效率和快速瞬態(tài)響應電流模式架構(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確度