大功率、可擴(kuò)展、封裝占板面積很小、產(chǎn)生熱量更少的 POL 穩(wěn)壓器已經(jīng)出現(xiàn)

通過 3D 封裝架構(gòu)和聰明的組件放置方式解決了熱量問題

下面將要陳述的一些事實(shí)一定會(huì)讓 DC/DC IC 及電路設(shè)計(jì)師不快，不過，真實(shí)情況是，這些問題今天比幾年前更加顯著。盡管這些設(shè)計(jì)師腦力強(qiáng)大，通曉設(shè)計(jì)藝術(shù)和設(shè)計(jì)學(xué)，擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，可以熟練擺弄波德圖 (Bode plot)、麥克斯韋方程 (Maxwell’s equations) 和零極點(diǎn)，能夠設(shè)計(jì)出精致的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路，但是 IC 設(shè)計(jì)師常常對(duì)付最后一個(gè)可怕的物理難題：熱量。這本來是封裝工程師的事兒。如今，封裝工程師對(duì) DC/DC POL (負(fù)載點(diǎn)) 穩(wěn)壓器熱性能的影響要比以往大得多，尤其是那些大功率、小封裝穩(wěn)壓器。

POL 穩(wěn)壓器之所以產(chǎn)生熱量，是因?yàn)闆]有電壓轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到 100%。這樣一來就產(chǎn)生了一個(gè)問題，由封裝結(jié)構(gòu)、布局和熱阻導(dǎo)致的熱量會(huì)有多大? 封裝的熱阻不僅提高 POL 穩(wěn)壓器的溫度，還提高 PCB 及周圍組件的溫度，并使得系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

組件安裝到 PCB 上以后，消除封裝產(chǎn)生的熱量主要有兩種方法：

1) 采用表面貼裝方式時(shí)，將熱量傳導(dǎo)到銅質(zhì) PCB 層，從封裝底部散熱。

2) 用冷氣流從封裝頂部散熱，或者更準(zhǔn)確地說，熱量被傳遞到與封裝頂部表面接觸、溫度更低、快速運(yùn)動(dòng)的空氣分子中。

當(dāng)然，還有一些無源和有源散熱方法，為討論簡(jiǎn)便起見，我們將這些方法統(tǒng)統(tǒng)歸入上述第二個(gè)類別。因此，從熱量管理的角度來看，要保持包括 DC/DC POL 穩(wěn)壓器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，更多銅質(zhì) PCB 層、更大的 PCB 面積、更厚的 PCB 層、在 PCB 上分散擺放組件、更大和轉(zhuǎn)速更快的風(fēng)扇等都是好主意。好主意是好主意，不過對(duì)小型、大功率 POL 穩(wěn)壓器進(jìn)行熱量管理時(shí)，是否還有其他有助的方法?

盡管上述某些或所有方法對(duì)限制系統(tǒng)熱量都很有效，但是采用這些散熱方法也許會(huì)使系統(tǒng)或最終產(chǎn)品失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。最終產(chǎn)品 (例如路由器) 可能由于故意在 PCB 上擴(kuò)大組件之間的距離而變得太大，由于風(fēng)扇數(shù)量增加和氣流快速進(jìn)出發(fā)熱的電路而導(dǎo)致可聽的噪聲增大，這些因素最終也許會(huì)使最終產(chǎn)品成為市場(chǎng)上的劣等品，因?yàn)闉榱嗽诟?jìng)爭(zhēng)中勝出，各公司都不斷在緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、效率、冷卻成本等方面做出改進(jìn)。28nm、20nm 和低于 20nm 的數(shù)字器件提供更高性能，但功耗更大，而設(shè)備供應(yīng)商則在憑借更快、更小、噪聲更低、效率更高的創(chuàng)新相互比拼。新型數(shù)字技術(shù)能力超群、令人振奮，但背后仍然存在模擬和電源技術(shù)角力，以在封裝更小的情況下提供更大功率，同時(shí)最大限度減小對(duì)系統(tǒng)總體溫度的影響。具備較高功率密度的 POL 穩(wěn)壓器似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇：這種穩(wěn)壓器尺寸較小，但功率較大。

通過功率密度數(shù)值判斷 POL 穩(wěn)壓器是否適合是 …… 對(duì)新手而言

每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 穩(wěn)壓器應(yīng)該好于每平方厘米 30W 的穩(wěn)壓器。銷售商利用功率密度優(yōu)勢(shì)銷售產(chǎn)品，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)穩(wěn)壓器功率密度的要求逐年提高，以憑借下一版更快、更小、噪聲更低、效率更高的產(chǎn)品與對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)。在選擇“更好的”POL 穩(wěn)壓器時(shí)，更高的功率密度數(shù)值是決定性因素嗎? 我們從如下幾個(gè)方面來考慮這個(gè)問題。

首先，把功率密度數(shù)值放在一邊，研究一下 POL 穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表。找到熱量降額曲線。描述詳盡的 POL 穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表應(yīng)該有很多這類曲線，分別規(guī)定了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時(shí)的輸出電流、輸出電壓和氣流速度。換句話說，這樣的數(shù)據(jù)表應(yīng)該顯示在具體電路條件下 POL 穩(wěn)壓器的輸出電流能力，這樣設(shè)計(jì)師才能夠根據(jù)穩(wěn)壓器的熱量和負(fù)載電流能力判斷其是否適用。穩(wěn)壓器是否滿足系統(tǒng)的典型和最高環(huán)境溫度及氣流速度要求? 請(qǐng)記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。這兩個(gè)因素密切相關(guān)，同等重要。

其次是效率，效率問題不在第一位，而是在第二位。單提效率會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，僅用效率來表述一個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器的熱特性是不準(zhǔn)確的。還需要計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功耗、結(jié)溫 ... 等等。不過，為了更好地說明問題，應(yīng)該在考慮輸出電流降額以及其他與器件及其封裝有關(guān)之熱量數(shù)據(jù)的同時(shí)，研究效率數(shù)值。例如，一個(gè)效率為 98% 的 DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器會(huì)給人留下極其深刻的印象。更加令人贊嘆的是，這款轉(zhuǎn)換器還聲稱具備出色的功率密度數(shù)值。你會(huì)不會(huì)買這個(gè)器件?

一位老道的工程師應(yīng)該問問 2% 的效率損失有什么影響。這種效率損失是怎樣轉(zhuǎn)換成封裝溫度上升的? 這種高功率密度和高效率穩(wěn)壓器在 60°C 環(huán)境溫度和 200LFM 氣流時(shí)結(jié)溫是多少? 要突破 25°C 室溫時(shí)的典型數(shù)值來思考問題。在 -40°C、85°C 或 125°C 的極端溫度時(shí)測(cè)得的最大值和最小值是多少? 如果封裝熱阻過高、結(jié)溫上升到安全工作溫度范圍以外時(shí)怎么辦? 如果這款昂貴的穩(wěn)壓器必須降額到很低的輸出電流值，那么會(huì)不會(huì)因輸出功率能力減弱而使該器件的高價(jià)格不再合理?

最后一個(gè)需要考慮的因素是這款 POL 穩(wěn)壓器是否易于冷卻。數(shù)據(jù)表中提供的封裝熱阻值是仿真和計(jì)算該器件的結(jié)溫、環(huán)境溫度以及外殼溫度上升的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于表面貼裝封裝的大部分熱量都是從封裝底部擴(kuò)散到 PCB，所以數(shù)據(jù)表中必須明確說明布局指導(dǎo)原則和各種熱量測(cè)量條件及方法，以免在后續(xù)形成系統(tǒng)原型時(shí)出現(xiàn)意外。

設(shè)計(jì)良好的封裝應(yīng)該能夠高效率地通過所有封裝表面均勻散熱，以消除熱量集中問題和熱點(diǎn)，這些問題會(huì)降低 POL 穩(wěn)壓器的可靠性，應(yīng)該消除或減輕。如之前所述，PCB 負(fù)責(zé)吸收表面貼裝 POL 穩(wěn)壓器的熱量并提供散熱途徑，不過，在如今密集、復(fù)雜的系統(tǒng)中，氣流是很常見，因此一種設(shè)計(jì)思路更加聰明的 POL 穩(wěn)壓器利用了這種“免費(fèi)”冷卻機(jī)會(huì)，用來去除 MOSFET 、電感器等發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量。

將熱量從封裝內(nèi)部引導(dǎo)到封裝頂部并擴(kuò)散到空氣中

大功率開關(guān) POL 穩(wěn)壓器靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓。非隔離式降壓型 POL 穩(wěn)壓器使用一個(gè)電感器，該電感器以及 MOSFET 等伴隨的開關(guān)組件在 DC/DC 轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生熱量。大約 10 年前，由于封裝技術(shù)的進(jìn)步，包括磁性組件在內(nèi)的整個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以裝入一個(gè)模制塑料封裝中，稱為模塊或 SiP，模制塑料封裝內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量必須從封裝底部引導(dǎo)到 PCB。提高封裝散熱能力的任何傳統(tǒng)方法都會(huì)導(dǎo)致封裝變大，例如在表面貼裝封裝頂部附著一個(gè)散熱器。

不過，3 年前出現(xiàn)了一種創(chuàng)新性模塊封裝方法，該方法利用可用氣流實(shí)現(xiàn)器件冷卻。散熱器集成到模塊封裝內(nèi)部，是完全模制的。該散熱器形狀獨(dú)特，一端在封裝內(nèi)連接到發(fā)熱源 MOSFET 和電感器，另一端是一個(gè)平坦的表面，暴露于封裝頂部。憑借這種新型封裝和內(nèi)置散熱器技術(shù)，器件可以在某些氣流的作用下快速冷卻，因?yàn)樵诜庋b頂部，平坦的散熱器表面與空氣接觸，空氣可以從封裝頂部帶走熱量 (參見 TechClip 視頻中的 LTM4620 數(shù)據(jù)表)。另一種提高大功率 POL 穩(wěn)壓器熱性能的封裝理念又將這種方法向前推進(jìn)了一步。

以疊置電感器作為散熱器的 POL 模塊型穩(wěn)壓器

POL 穩(wěn)壓器中電感器的大小取決于很多因素，其中包括電壓、開關(guān)頻率、需處理的電流及其結(jié)構(gòu)。采取模塊化方法時(shí)，包括電感器的 DC/DC 電路是完全模制的，密封在一種塑料封裝中，看起來就像一個(gè) IC 一樣，電感器的大小決定封裝的厚度、體積和重量。電感器還是個(gè)發(fā)熱組件，提高了 POL 模塊型穩(wěn)壓器的內(nèi)部總體溫度。之前討論的方法，即在封裝中集成散熱器以將 MOSFET 和電感器的熱量傳導(dǎo)到封裝頂部，這是非常有用的，可以將封裝內(nèi)部的熱量從封裝頂部快速傳遞到封裝外部，并最終傳遞到空氣中，這種散熱器是一種冷卻板或稱無源散熱器。不過，這種方法適用于尺寸和電流都較小的電感器，這種電感器很容易放入塑料模制封裝中。功率較大的 POL 穩(wěn)壓器需要使用尺寸和電流都較大的電感器，將這樣的磁性組件放入封裝中，會(huì)使電路的其他組件被擠到旁邊，因此增大了封裝在 PCB 上占用的面積。較大的占板面積意味著較重的封裝。為了保持較小的占板面積，并進(jìn)一步改進(jìn)散熱，封裝工程師已經(jīng)開發(fā)出另一種方法：垂直、疊置或 3D 封裝 (圖 1)。

圖 1：用于大功率 POL 穩(wěn)壓器模塊的 3D 或垂直封裝技術(shù)升高了電感器放置位置，將其作為散熱器裸露于氣流中。DC/DC 電路的其余部分安裝在電感器下面的襯底中，以使封裝占用較小的 PCB 面積，并提高其熱性能。

具裸露疊置電感器的 3D 封裝：占板面積很小、功率提高、散熱性能改善

采用 3D 封裝這種構(gòu)造 POL 穩(wěn)壓器的新方法，可以同時(shí)獲得 PCB占板面積很小、功率更大、熱性能更高這 3 個(gè)優(yōu)點(diǎn) (圖 1 和圖 2)。LTM4636 是一款µModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器，具內(nèi)置 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC、MOSFET、支持性電路以及一個(gè)大的電感器，可降低輸出紋波，提供高達(dá) 40A 的負(fù)載電流，并從 12V 輸入提供精確穩(wěn)定的 3.3V 至 0.6V 輸出電壓。4 個(gè) LTM4636 器件可以均分電流，以提供 160A 負(fù)載電流。該器件的占板面積為僅為 16mm x 16mm。如果計(jì)算一下，功率密度是非常高的。不過，要記得不要被數(shù)字愚弄。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，這款 µModule 穩(wěn)壓器的好處是熱性能，以及令人印象深刻的 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率和散熱能力。

圖 2：LTM4636 用疊置電感器作為散熱器，以很小的占板面積實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的熱性能

為了保持很小的占板面積 (16mm x 16mm BGA)，占板面積很大的電感器升高了放置位置，并固定在兩個(gè)銅線框之上，以便其余電路組件 (二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC/DC IC) 能夠焊接在電感器下面的襯底上。如果電感器放置在襯底上，那么 µModule 穩(wěn)壓器可能很容易就占用超過 1225 平方毫米的 PCB 面積，而不是現(xiàn)在的 256 平方毫米。這種方法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出更加緊湊的 POL 穩(wěn)壓器布局，不過該方法還有一個(gè)非常大的好處，它可實(shí)現(xiàn)良好的熱性能。

LTM4636 中的疊置電感器不是與塑料封裝一起模制 (密封) 的。其余組件則是模制的。電感器有圓滑的邊角且結(jié)構(gòu)體是升高的，便于裸露于空氣中，空氣更容易在其周圍和上部流動(dòng) (流動(dòng)阻力最小)。

數(shù)值中反映出的事實(shí)：40A LTM4636 的熱性能和效率

LTM4636 是一款 40A µModule 穩(wěn)壓器，采用 3D 封裝技術(shù)，也稱為 Component-on-Package (CoP，圖 2)。該器件采用完全模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封裝。加上疊置在模制封裝頂部的電感器，LTM4636 的總體封裝高度即從 BGA 焊錫球(144 個(gè)) 底部到電感器頂部的高度為 7.16mm。

除了從頂部散熱，LTM4636 還可以高效率地將熱量從封裝底部傳遞到 PCB。該器件有 144 個(gè) BGA 焊錫球，這些焊錫球成排成排地連接到有大電流流過的 GND、VIN 和 VOUT。這些焊錫球合起來充當(dāng)向 PCB 傳遞熱量的散熱器。LTM4636 為從封裝頂部和底部散熱而進(jìn)行了優(yōu)化。

在 12V_IN、1V_OUT、40A (40W) 滿負(fù)載電流和標(biāo)準(zhǔn) 200LFM 氣流時(shí)，LTM4636 的溫度僅比環(huán)境溫度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。圖 3 顯示了 LTM4636 在上述條件時(shí)的熱像。接下來的圖 4 顯示了降額數(shù)值。在 200LFM 時(shí)，LTM4636 在環(huán)境溫度高達(dá) 83°C時(shí)提供 40A 最大電流。在環(huán)境溫度高達(dá) 110°C 時(shí)，可以提供最大電流的一半 (即 20A)。這意味著，有氣流時(shí)，LTM4636 提供負(fù)載電流的能力受環(huán)境溫度的影響較小。

圖 3：在 40W 時(shí)溫度僅上升 40°C (12V_IN 至 1V_OUT，40A, 200LFM 氣流)

圖 4：200LFM、83°C 環(huán)境溫度時(shí)提供 40A 最大電流

MOSFET 性能最佳以及 DC/DC 控制器強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器是 LTM4636 轉(zhuǎn)換效率很高的原因。以下是對(duì) 12Vin 電源進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換的一些數(shù)字：3.3V、25A 時(shí)效率為 95%，1.8V、40A 時(shí)效率為 93%，1V、40A 時(shí)效率為 88%。圖 5 總結(jié)了從 12Vin 轉(zhuǎn)換到 1Vout 至 3.3Vout 的效率數(shù)字。

圖 5：從 12V_IN 轉(zhuǎn)換到各種輸出電壓時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換具有高效率

具熱平衡能力的 160W、可擴(kuò)展 4 x 40A µModule POL 穩(wěn)壓器

一個(gè) LTM4636 的負(fù)載電流額定值是 40A。兩個(gè)采用電流均分模式 (或并聯(lián)) 的 LTM4636 提供 80A 電流，4 個(gè) LTM4636 則提供 160A 電流 (圖 6 和圖 7)。LTM4636 的電流模式架構(gòu)允許在多個(gè) 40A 模塊之間準(zhǔn)確均分電流。準(zhǔn)確的電流均分又允許在兩個(gè)、3 個(gè)或 4 個(gè)并聯(lián)器件之間平衡散熱 (圖 6 和圖 7)。由于這種平衡散熱能力，所以沒有哪一個(gè)器件會(huì)過載或過熱。這種器件的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠異相運(yùn)行，以降低輸出和輸入紋波電流，紋波電流降低又有助于減少輸入和輸出電容器數(shù)量。例如，4 個(gè) LTM4636 以 90° 相差運(yùn)行 (360° ÷ 4)。該器件還提供時(shí)鐘和相位控制功能。此外，增大功率時(shí)所需布局工作很簡(jiǎn)單，只需復(fù)制和粘貼占板面積即可 (符號(hào)和占板面積可用)。

圖 6：精確電流均分使 4 個(gè)并聯(lián) LTM4636 能夠平衡散熱，在 12V_IN、1V_OUT、160A、400LFM 時(shí)，溫度僅上升 40°C

圖 7：4 個(gè)并聯(lián) LTM4636 每個(gè)都具精確電流均分能力和高效率，12V_IN 至 0.9V_OUT，160A

結(jié)論

為組件密集排列的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要仔細(xì)考慮器件電壓和電流額定值以外的因素。評(píng)估封裝的熱特性是必不可少的步驟，因?yàn)樵撎匦詻Q定了設(shè)備的冷卻成本、PCB 成本和尺寸。3D 封裝方法，又稱為疊置、垂直、CoP 封裝方法，允許大功率 POL 模塊型穩(wěn)壓器占用很小的 PCB 面積，不過更重要的是，允許高效率散熱。LTM4636 系列是第一個(gè)受益于這種疊置封裝技術(shù)的 µModule 穩(wěn)壓器系列。LTM4636 是一款以疊置電感器作為散熱器的 40A POL µModule 穩(wěn)壓器，效率為 95% 至 88%，工作時(shí)溫度僅上升 40°C，且僅占用 16mm x 16mm PCB 面積。