空間受限的高密度DC/DC電源設計

引言

　　高性能電源設計繼續(xù)要求在日漸縮小的板上空間中提供更高的功率。更高的電源密度對電源設計師提出了新的挑戰(zhàn)。設計必須具有高于 90% 的轉換效率，以限制功耗和電源中的溫升。由于 DC/DC 電源轉換的損耗和有限的氣流，使得散熱空間非常狹小，因此熱性能的設計尤其重要。在限制用以減小電源設計整體尺寸的外置電容時，這些電源必須具有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應。電源設計師被迫在設計一個分立式電源轉換器和購買一個傳統(tǒng)的電源模塊解決方案之間進行選擇。分立式電源設計和傳統(tǒng)的電源模塊都是用分立元件在印刷電路板上制作的。關鍵是提供一個完全集成電路的易于使用的緊湊型電源設計方案，凌特公司的LTM4600 微型模塊電源為對空間要求嚴格的電源設計提供了一個解決方案。這種高性能負載點（POL）微型模塊可以在不犧牲溫度或電特性的情況下，解決空間狹小的問題。我們就緊湊型（POL）穩(wěn)壓器設計難題把本解決方案與分立式功率轉換器和傳統(tǒng)的電源模塊做一番比較。

　　如何為電源設計分配空間

　　這個大功率（POL）穩(wěn)壓器是針對空間要求嚴格的電源設計的一個好例子。在大型系統(tǒng)板上，電源通常緊挨著微處理器、FPGA 或 ASIC，以提供必要的電源。大型數(shù)字器件可能需要幾安培至高于100安培的電流范圍。一個大型系統(tǒng)板通常需要幾個這樣的負載點電源，因此，為每一個電源設計分配一定的空間就成了問題。另外，系統(tǒng)板的背面通常對高度有限制，一般不適合電源設計利用。分立式電源轉換器通常為了實現(xiàn)緊湊設計而利用系統(tǒng)板的兩側，因為其本身的高度問題，傳統(tǒng)電源模塊設計則只能限制在系統(tǒng)板的上面。傳統(tǒng)電源模塊設計一般都在戰(zhàn)略上考慮放在系統(tǒng)板上，以避免阻擋其它集成電路所需的氣流。由于在考慮電源穩(wěn)壓器位置時會先考慮負載的位置，因此這常常會導致性能下降。LTM4600 微型模塊可以安裝在非常靠近負載點的系統(tǒng)板表面或背面。

　　圖 1 顯示了雙面分立 POL 設計和集成電路模塊 POL 設計之間的差別。分立設計具有靈活性，可以單獨安裝在系統(tǒng)板上或作為一個傳統(tǒng)電源模塊提供給用戶，但它比集成電路模塊設計需要更大的 PCB 空間。分立設計在系統(tǒng)板的表面或背面不能有效地利用板上空間。分立設計還需要很多組件和謹慎的板布局，因此需要仔細地挑選和采購元件，同時對設計時間和技術也有一定的要求。傳統(tǒng)電源模塊具有與分立設計同樣的缺點。其差別在于，傳統(tǒng)電源模塊是在一個小型的印刷電路板上放置分立元件。這樣的器件被認為很容易采購和使用，但是卻需要解決散熱和重要的氣流問題。相反，集成電路模塊方法則十分容易，而且需要的外置元件特別少。這樣的元器件可以像一個標準集成電路那樣安裝或焊接在PC板上。此外，由于占板面積小并具有優(yōu)越的熱性能，該集成電路模塊設計還可以非常簡便地復制和安裝在多電源通道應用中。

　　不管是哪種設計方式都必須保證高效以限制功耗。圖2為通常情況下一個 12V ~ 3.3V設計中的效率曲線。要注意為什么輸出電流的范圍效率大多是在 90% 以上。大部分高性能 POL 穩(wěn)壓器通常都是這樣，但是在效率和尺寸之間需要進行平衡。負載點穩(wěn)壓器的電源轉換效率通常與尺寸成正比，并與開關頻率成反比。例如，使用較小的電感器、較少的電容、較低的功率 MOSFET、較少的 PCB 銅布線的更小電源設計通常會導致更大的功耗和更低的效率，因為這些小體積的元件熱阻較高。較高的開關頻率可減小設計中電感器和電容器的體積和數(shù)值，而不需大電阻，但是功率 MOSFET 會因為這些器件的寄生電容，在更高的開關頻率情況下導致更大的損耗。電源設計師必須進行多方面的計算，對各種分立轉換器設計作出比較和選擇，通常需要在開關頻率、效率和尺寸之間進行權衡。

　　優(yōu)化封裝技術

　　利用創(chuàng)新的封裝技術，集成電路設計師在降低寄生電容和電感方面取得了進展。該封裝技術與領先的電源控制、功率MOSFET和電感器技術的組合，可以提供非常密集的電源設計?，F(xiàn)在，也可以實現(xiàn)高得多的開關頻率，而不會產(chǎn)生會導致效率降低的寄生性問題。更高的頻率運行使得在給定的電壓紋波和瞬態(tài)響應情況下可使用少得多的外置電容。圖3是一個簡化了的負載點模塊電路圖。一個先進的電源控制架構，加上優(yōu)化的電源通道和封裝，可以為空間要求嚴格的POL設計提供優(yōu)秀的解決方案。電源控制架構需要具有高頻開關、過流保護、過壓保護、均流、精確穩(wěn)壓和快速控制環(huán)路能力，以在負載瞬態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)時維持輸出穩(wěn)壓。沒有這些改進的分立電源穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的電源模塊則在性能和尺寸上有一定的限制。LTM4600 微型模塊，在一個完整、集成的電源解決方案中融入了所有這些先進技術。

　　負載點穩(wěn)壓器的大功率密度代表了大多數(shù)系統(tǒng)設計中重要的溫度挑戰(zhàn)。真正的問題是，要從系統(tǒng)內的穩(wěn)壓器中將熱量導出來，而這些系統(tǒng)需要在廣泛的溫度范圍內工作，溫度通常可達50℃以上 。圖4和圖5顯示了33W分立或傳統(tǒng)模塊負載點穩(wěn)壓器兩面的熱圖像。圖4顯示了安裝在20℃溫度的板表面電感器溫度與板溫度的對比情況。電感器不能很好地將熱量帶到板上，因此電感器的熱阻（q_JA）不是最理想的。圖5顯示了兩個安裝在板背面的功率 MOSFET熱圖像。兩個功率器件的溫度都將近 100℃，比板溫度高40℃。該功率MOSFET的8個外部引線是比較差的熱導體，表示一個高的熱阻。由于氣流有限，這對板的背面來說是一個非常嚴重的熱問題。由于元件之間的高度參差不齊，分立設計的散熱比較困難。由于一些工業(yè)標準的電源模塊有著與分立轉換器相似的結構，因此也有同樣的缺點。這些模塊采用熱阻相對較低的分立元件和標準印刷電路板材料，參差不齊的元件高度同樣使散熱困難。一個理想的電源模塊需要針對器件正面和背面進行優(yōu)化的熱設計。

　　圖6顯示了與分立設計一樣在 33W情況下的LTM4600微型模塊熱圖像。其功耗與分立設計很類似，但占板面積更小。該微型模塊優(yōu)化的熱封裝可以得到一致的溫升。功率元件安裝在微型模塊內部經(jīng)過優(yōu)化的底板上，并具非常低的熱阻。微型模塊的引腳也經(jīng)過了優(yōu)化，不僅有利于供電，而且也可以保證低熱阻。
正面塑封材料也具有低熱阻和溫度一致性。在33 W的應用中，該微型模塊的溫度比板的溫度僅高13℃。如果在LTM4600頂部安裝一個小型BGA散熱器，器件的溫度會大大降低。穿過該散熱器的氣流可進一步降低溫升，從而使微型模塊在周圍環(huán)境溫度更高的情況下也能夠全功率運行。由于其扁平的尺寸和優(yōu)越的熱性能，LTM4600微型模塊可以安裝在板的背面，并選擇安裝散熱器在機箱上或者帶有散熱焊盤的板載體。

　　LTM4600對空間要求嚴格的電源設計具有獨特的優(yōu)勢。該微型模塊是一款獨特的功率器件，它將高性能電源所需的所有元件集成在一個非常小的體積內。該微型模塊可以像其它任何表面貼裝的集成電路一樣進行焊接，僅需要非常少的外部元件。該微型模塊采用 15mm×15mm×2.8mm LGA 封裝，可使功率提升到 40W，效率高達 94%。兩個微型模塊甚至可以并聯(lián)在一起，使輸出功率加倍?，F(xiàn)在市場上產(chǎn)品設計周期越來越短，LTM4600 的易用性將能夠縮短產(chǎn)品上市時間。

　　總體說來，大功率密度的設計難點可以通過創(chuàng)新的集成電路和封裝技術得到有效的解決。LTM4600 微型模塊集合了這些創(chuàng)新技術，可以解決大功率密度設計中的問題。模塊化的趨勢將繼續(xù)流行，因為它在解決先進電源設計中經(jīng)常出現(xiàn)的空間和熱量問題方面非常有效。