優(yōu)化便攜設備中大輸出電流DC-DC轉換的熱耗散
精心選擇器件和良好的熱設計能幫助工程師優(yōu)化應用于移動設備的超小型DC-DC轉換器設計,實現(xiàn)功率密度的增加,同時還保證可靠性。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/180689.htm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備,如手機、便攜式媒體播放器(PMP)或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備等,這就要求設計人員在啟動每個新的電路板設計時,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)品相當或更高的性能,而印刷電路板(PCB)的占位面積更小。電源半導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,追求這個目標為系統(tǒng)設計人員帶來了更嚴格的熱管理挑戰(zhàn)。電源轉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)會導致工作溫度升高。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、不可預測的器件表現(xiàn)以及極端情況下器件的損毀。一般來說,結溫越高,器件失效的可能性就越高。
要想在現(xiàn)代便攜設備中成功使用超小型電源器件,就需要密切關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,器件設計人員首先要考慮高的電源轉換效率。例如,對于負載點(PoL)穩(wěn)壓器等通用型應用而言,開關轉換器就比線性轉換器更有優(yōu)勢。最好的開關轉換器可以提供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,在采用這些器件進行設計時,工程師需要運用合理的熱設計準則,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計算開關轉換器的功率耗散:
(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轉換器的設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性。
以安森美半導體的NCP1529 DC-DC轉換器為例,該器件采用熱增強型2mmx2mmx0.5mm µDFN-6封裝或3mmx1.5mmx1mm TSOP5封裝,適合用于電池供電設備。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)部熱關斷電路,防止在結溫超過最大值時器件受到災難性損壞。如果溫度達到180℃,器件會被關斷,所有功率晶體管和控制電路也將被關斷。當溫度溫度低于140℃時,器件會通過軟啟動模式重新啟動。
當然,最佳的應用設計應當注意降低關斷狀況發(fā)生的潛在機率,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%。
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