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

精心選擇器件和良好的熱設(shè)計能幫助工程師優(yōu)化應(yīng)用于移動設(shè)備的超小型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，實現(xiàn)功率密度的增加，同時還保證可靠性。

電源器件的小型化

終端用戶需要那些能夠提供豐富功能的超小型設(shè)備，如手機(jī)、便攜式媒體播放器(PMP)或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備等，這就要求設(shè)計人員在啟動每個新的電路板設(shè)計時，使用更小的元器件。在數(shù)字集成電路(IC)方面，貫徹摩爾定律使元器件制造商能夠顯著減小芯片尺寸，同時還可提高器件性能和集成度。模擬IC的換代產(chǎn)品也提供與它們前一代產(chǎn)品相當(dāng)或更高的性能，而印刷電路板(PCB)的占位面積更小。電源半導(dǎo)體制造商也在追求小型化，利用更小的占位面積提供更高的功率處理能力，從而提供盡可能最高的功率密度。

然而，追求這個目標(biāo)為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了更嚴(yán)格的熱管理挑戰(zhàn)。電源轉(zhuǎn)換期間損耗的能量以熱力的形式釋放，而減小元器件的尺寸(與產(chǎn)生的熱量有關(guān))會導(dǎo)致工作溫度升高。原因很簡單，裸片越小，發(fā)散熱量的能力就越低。小型化可能帶來的不利后果包括低可靠性、不可預(yù)測的器件表現(xiàn)以及極端情況下器件的損毀。一般來說，結(jié)溫越高，器件失效的可能性就越高。

要想在現(xiàn)代便攜設(shè)備中成功使用超小型電源器件，就需要密切關(guān)注元器件和電路板兩級，將器件內(nèi)的發(fā)熱量降至最低，并確保能夠高效地移除熱量。

封裝創(chuàng)新

為了將生成的熱量減到最少，器件設(shè)計人員首先要考慮高的電源轉(zhuǎn)換效率。例如，對于負(fù)載點(PoL)穩(wěn)壓器等通用型應(yīng)用而言，開關(guān)轉(zhuǎn)換器就比線性轉(zhuǎn)換器更有優(yōu)勢。最好的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以提供95%到97%區(qū)間的峰值效率。

為了能夠有效地散熱，近年來涌現(xiàn)了多款小外形因數(shù)的新型電源封裝。這些封裝經(jīng)過優(yōu)化，將裸片與外殼之間的熱阻抗降至最低，使熱量能夠高效地從器件移除。

在針對便攜應(yīng)用的最新封裝中，諸如µDFN或µCSP這樣的超小型無鉛型封裝在底部集成了裸露金屬焊盤。焊盤向下焊接，將熱量直接傳導(dǎo)到PCB上。封裝尺寸可以是2mmx2mm或更小，這類封裝的器件能提供最大1.5 A左右的連續(xù)電流。

為了確保以盡可能大的輸出電流來實現(xiàn)穩(wěn)定的工作并將使用壽命延至最長，在采用這些器件進(jìn)行設(shè)計時，工程師需要運用合理的熱設(shè)計準(zhǔn)則，在電路板布線等方面考慮器件廠商的建議。

計算功率耗散

可以用等式1計算開關(guān)轉(zhuǎn)換器的功率耗散：

(等式1)

假定穩(wěn)壓器產(chǎn)生固定的輸出電壓值，在輸出電流最大和效率最低時功率耗散最大；而在環(huán)境溫度很高和輸入電壓最低時會出現(xiàn)能效最低的情況。

分析DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計可以論證如何計算最壞情況下必要的功率耗散，并了解功率耗散與封裝熱阻抗和允許的最高環(huán)境工作溫度之間有怎樣的相關(guān)性。

以安森美半導(dǎo)體的NCP1529 DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，該器件采用熱增強(qiáng)型2mmx2mmx0.5mm µDFN-6封裝或3mmx1.5mmx1mm TSOP5封裝，適合用于電池供電設(shè)備。NCP1529的輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，支持單個鋰離子電池或3個堿/鎳鎘/鎳氫電池供電，輸出電壓可在0.9V至3.9V之間調(diào)節(jié)，最大輸出電流為1.0A。此外，IC具有內(nèi)部熱關(guān)斷電路，防止在結(jié)溫超過最大值時器件受到災(zāi)難性損壞。如果溫度達(dá)到180℃，器件會被關(guān)斷，所有功率晶體管和控制電路也將被關(guān)斷。當(dāng)溫度溫度低于140℃時，器件會通過軟啟動模式重新啟動。

當(dāng)然，最佳的應(yīng)用設(shè)計應(yīng)當(dāng)注意降低關(guān)斷狀況發(fā)生的潛在機(jī)率，首先要做的工作之一便是清晰地了解工作效率。

我們可以考慮這樣一款器件：提供1.2V IC內(nèi)核電壓，最高流經(jīng)900mA的電流。圖1顯示的是NCP1529在環(huán)境溫度為85℃、輸入電壓為2.7V、輸出電壓為1.2V的條件下不同輸出電流時的工作效率。輸出電流為0.9A時，器件的工作效率為60%。