優(yōu)化便攜設備中大輸出電流DC-DC轉換的熱耗散

圖1 Vin=2.7 V、Vout=1.2 V、溫度為85℃時的NCP1529能效

將這些數(shù)值代入等式1，得到下面的功率耗散最壞情況的表達式：

這個數(shù)字非常重要，可以幫助我們優(yōu)化各種應用的熱性能。

功率與溫度的相關性

熱阻抗(RθJA)用于描述封裝將熱量從硅結點傳遞到外界環(huán)境中的能力。熱阻抗越低，器件就能夠越好地傳遞大量熱量。RθJA的表達單位為℃/W，因此我們?yōu)楣こ處熖峁┝艘粋€工具，可將以瓦(W)計算的電氣功率(耗散)與以攝氏度(℃)為單位的溫度關聯(lián)起來。

在最新電源器件的數(shù)據(jù)表中，往往宣稱器件的RθJA值極低。但系統(tǒng)設計人員如果期望在終端產(chǎn)品中達到預期的性能，必須密切注意電路板布線和PCB的熱設計。NCP1529的數(shù)據(jù)表顯示了器件單獨的RθJA(µDFN-6封裝，220℃/W)，以及這款器件用于推薦的電路板布線時的RθJA(40℃/W)。這些數(shù)字顯示PCB設計對熱阻抗有顯著影響。事實上，遵從器件制造商的建議能夠將有效的RθJA降低5倍。

知道了RθJA和PDIP(max)，就可以使用下面的等式計算出應用能夠承受的最大環(huán)境溫度：

此處，TJmax是器件能夠承受的最大結溫（NCP1529對應的溫度為150℃）。

需要注意的是，NCP1529同時提供TSOP-5和µDFN-6封裝，我們可以快速地確定每種封裝選擇對工作性能的影響。表1歸納了各種封裝的功率耗散、封裝熱阻抗和計算出的最高環(huán)境溫度。

表1顯示，要想轉換器在最高的環(huán)境溫度下令人滿意地工作，封裝選擇是要重點關注的一個事項。

表1：電氣域與熱域之間的數(shù)據(jù)轉換

另一種評估封裝熱特性對應用性能影響的方法是檢查功率下降曲線。圖2顯示了NCP1529的曲線，詳述了µDFN-6和TSOP-5封裝最大環(huán)境溫度閾值與功率耗散之間的關系。

圖2 IC功率下降特性曲線

環(huán)境溫度低于70℃時，TSOP-5和µDFN-6封裝都可以耗散720mW的功率，因此能滿足這一應用的最壞情況要求。然而，µDFN-6封裝的功率耗散能力更強，與采用TSOP-5封裝的同等轉換器設計相比，能夠承受的溫度更高。

µDFN-6封裝的性能優(yōu)勢歸因于其熱增強型結構，裸露的金屬焊盤顯著降低了裸片到PCB的熱阻抗。

熱設計指南

在每次計算中，TA值都假定是最佳可能的熱阻抗，也就是使用建議的電路板布線時所能達到的熱阻抗。如前文所述，電路板布線對器件熱性能以及相應的應用有極大影響。設計師在使用任何DC-DC轉換器時都應當查詢所選元件的文檔，確保通過硬件實現(xiàn)該設計時能夠達到預期的性能。

熱性能的提高可以可以通過以下特性來優(yōu)化，譬如加設散熱通孔、將關鍵跡線(trace)寬度拓至最寬、使用對接地層或電源層的熱連接，或是指定熱性能增強的PCB材料（如絕緣金屬基板）。NCP1529的熱設計指南建議將VIN跡線加寬，并增加幾個通孔，建立多個對電源層的熱連接。此外，建議將穩(wěn)壓器的接地引腳連接至PCB頂層。頂層、底層及所有接地層之間應當使用空余的通孔來連接，從而增加散熱器的有效尺寸，而且這些通孔應當離得越近越好，或者在使用µDFN-6封裝時最好位于裸露焊盤底下。µDFN-6裸露焊盤必須被正確地焊接至PCB主散熱器。

當然，設計人員也必須牢記電路板布線對轉換器電氣性能的影響。優(yōu)化的熱布線應當具備輔助功能，如為大電流通道設置寬跡線，以及單獨的電源層和接地層等，將穩(wěn)壓器的噪聲免疫性和環(huán)路穩(wěn)定性提升至最佳。

圖3顯示了使用µDFN-6封裝的NCP1529時推薦的焊盤布線，顧及到了電氣和熱設計注意事項。紅色箭頭表示熱能由封裝流向周圍環(huán)境。

圖3 建議的NCP1529 μDFN-6電路板布線

結論

設計人員要在當今便攜產(chǎn)品嚴苛的空間限制下應用高性能DC-DC轉換器，必須密切注意工作條件、功率耗散、元器件性能和熱設計。與舊款的功率封裝相比，具有熱增強特性的最新小型封裝技術支持更高的功率耗散。便攜系統(tǒng)設計人員通過將這些最新小型封裝同板級的熱設計相結合，就能夠在小空間中視實現(xiàn)可靠的大電流設計。