如果扩展POL稳压器并节省电路板空间
作者：Afshin Odabaee
设计高效和紧凑的 DC-DC 转换器的艺术由一组精选的工程师实践，他们对转换设计中涉及的物理和支持数学有深刻的理解，并结合了健康的工作经验。对波德图、麦克斯韦方程以及对极点和零点的深刻理解融入了优雅的 DC-DC 转换器设计。尽管如此，IC 设计人员通常会避免处理令人生畏的热量话题——这项工作通常落在封装工程师的肩上。
对于精密 IC 之间空间狭小的负载点 （POL）转换器，热量是一个重要问题。POL 稳压器会产生热量，因为没有电压转换能达到 100% 的效率（目前）。由于其结构、布局和热阻抗，封装会变得多热？封装的热阻抗不仅会提高 POL 稳压器的温度，还会提高 PCB 和周围组件的温度，从而导致系统散热安排的复杂性、尺寸和成本。
PCB 上 DC-DC 转换器封装的散热通过两种主要策略实现：
通过PCB分配
如果转换器 IC 是可表面贴装的，PCB 中的导热铜通孔和层会从封装底部散发热量。如果封装对 PCB 的热阻抗足够低，这就足够了。
添加气流
冷气流从包装中带走热量（或者更准确地说，热量被传递到与包装表面接触的较冷的快速空气分子）。
当然，有被动和主动散热的方法，为了讨论的简单，它们被认为是第二类的子集。
当面对不断升高的组件温度时，PCB 设计人员可以使用标准的散热工具箱来获取常用工具，例如额外的铜、散热器或更大更快的风扇，或者只是更多的空间——使用更多的 PCB 空间，增加距离PCB 上的元件之间，或加厚 PCB 层。
这些工具中的任何一个都可以在 PCB 上使用，以将系统保持在安全温度范围内，但应用这些补救措施可能会削弱最终产品在市场上的竞争优势。该产品（例如路由器）可能需要更大的外壳来容纳 PCB 上必要的组件分离，或者随着添加更快的风扇以增加气流，它可能会变得相对嘈杂。这可能会使最终产品在公司竞争紧凑性、计算能力、数据速率、效率和成本等优点的市场中表现不佳。
围绕大功率 POL 稳压器的成功热管理需要选择正确的稳压器，这需要仔细研究。本文展示了稳压器的选择如何简化电路板设计人员的工作。
不要仅以功率密度来判断 POL 稳压器
许多市场因素推动了提高电子设备热性能的需求。最明显的是，即使产品尺寸缩小，性能也会不断提高。例如，28 nm 至 20 nm 和亚 20 nm 数字设备通过消耗功率来提供性能，因为创新设备设计人员使用这些更小的工艺来制造更快、更小、更安静和更高效的设备。这一趋势的明显结论是 POL 稳压器必须增加功率密度：（功率）/（体积）或（功率）/（面积）。
功率密度经常在稳压器文献中被引用为标题规范也就不足为奇了。令人印象深刻的功率密度使稳压器脱颖而出，在从众多可用稳压器中进行选择时，为设计人员提供了可引用的规格。40 W/cm 2 POL 调节器必须优于 30 W/cm 2调节器。
产品设计人员希望将更高的功率挤入更紧凑的空间——最高级的功率密度数字乍一看似乎是通往最快、最小、最安静和最高效产品的明确途径，类似于使用马力比较汽车性能。但是，功率密度对于实现成功的最终设计有多重要？比你想象的要少。
POL 调节器必须满足其应用的要求。在选择 POL 稳压器时，必须确保它能够在 PCB 上完成这项工作，在 PCB 上，热量的处理会影响应用的成败。以下推荐的 POL 稳压器分步选择流程为优先考虑热性能提供了依据：
忽略功率密度数
功率密度规格忽略了热降额，这对实际的有效功率密度有更大的影响。
检查调节器的热降额曲线
一个有据可查和特征化的 POL 稳压器应该有图表来指定在各种输入电压、输出电压和气流速度下的输出电流。数据表应显示 POL 稳压器在实际工作条件下的输出电流能力，以便您可以通过其热和负载电流能力来判断稳压器。它是否满足您系统的典型和最高环境温度和气流速度的要求？请记住，输出电流降额与器件的热性能有关。两者密切相关，同样重要。
看效率
是的，效率不是首要考虑因素。单独使用时，效率结果可能无法准确反映 DC-DC 稳压器的热特性。当然，计算输入电流和负载电流、输入功耗、功耗和结温需要效率数据。效率值必须与输出电流降额以及与器件及其封装相关的其他热数据相结合。
例如，效率为 98% 的 DC-DC 降压转换器令人印象深刻；当它拥有卓越的功率密度数时，效果会更好。您是否通过效率较低、功率密度较低的稳压器购买它？精明的工程师应该询问看似微不足道的 2% 效率损失的影响。该功率如何转化为运行期间的封装温升？在 60°C 环境温度和 200 LFM（每分钟线性英尺）气流下，高功率密度、高效稳压器的结温是多少？超越在 25°C 室温下列出的典型数字。在极端情况下测量的最大值和最小值是多少：-40°C、+85°C 或 +125°C？在高功率密度下，封装热阻是否升高到结温超过安全工作温度？一个效率惊人但价格昂贵的稳压器需要多少降额？降额的输出电流值是否会降低输出功率能力，以至于设备的额外成本不再合理？
考虑冷却 POL 调节器的难易程度
数据表中提供的封装热阻值是模拟和计算器件结温、环境温度和外壳温度升高的关键。由于表面贴装封装中的大部分热量从封装底部流向 PCB，因此必须在数据表中阐明布局指南和有关热测量的讨论，以最大程度地减少系统原型设计期间的意外情况。
一个设计良好的封装应该有效地在其表面均匀地散热，消除降低 POL 稳压器可靠性的热点。如上所述，PCB 负责吸收和传递来自表面贴装 POL 稳压器的大部分热量。随着当今密集和复杂系统中强制气流的普遍存在，设计巧妙的 POL 稳压器也应该利用这种自然冷却的机会来去除 MOSFET 和电感器等发热组件的热量。
将热量引导至封装顶部并进入空气
大功率开关 POL 稳压器依靠电感器或变压器将输入电源电压转换为稳定的输出电压。在非隔离式降压 POL 稳压器中，该器件使用电感器。电感器和伴随的开关元件，例如 MOSFET，在 DC-DC 转换过程中会产生热量。
大约十年前，新的封装技术使得整个 DC-DC 稳压器电路（包括磁性元件）能够设计并安装在称为模块或 SiP 的模制塑料内部，其中模制塑料内部产生的大部分热量被传递到PCB 通过封装的底部。任何提高封装散热能力的传统尝试，例如在表面贴装封装顶部安装散热器，都有助于实现更大的封装。
几年前，开发了一种创新的模块封装技术，以利用可用气流来帮助冷却。在此封装设计中，散热器集成到模块封装中并包覆成型。在封装内部，散热器底部直接连接到 MOSFET 和电感，而散热器顶部是暴露在封装顶部的平面。这种新的封装内散热技术允许通过气流快速冷却设备（例如，请参阅此处的LTM4620 TechClip 视频）。
走向垂直：使用堆叠电感器作为散热片的 POL 模块稳压器
POL 稳压器中电感器的尺寸取决于电压、开关频率、电流处理及其结构。在模块方法中，包括电感器在内的 DC-DC 电路被包覆成型并封装在塑料封装中，类似于 IC，电感器比任何其他组件更能决定封装的厚度、体积和重量。电感器也是一个重要的热源。
将散热器集成到封装中有助于将热量从 MOSFET 和电感器传导到封装顶部，在那里可以将热量散发到空气、冷板或无源散热器中。当相对较小的低电流电感器很容易安装在封装的塑料模塑料内时，这种技术是有效的，但当 POL 稳压器依赖于更大和更高电流的电感器时，这种技术就不那么有效了，因为在封装内放置磁性元件会迫使其他电路元件距离更远，显着扩大了封装的 PCB 占位面积。为了在改善散热的同时保持小尺寸，封装工程师开发了另一种技巧——垂直、堆叠或 3D（图 1）。
图1 大功率 POL 稳压器模块使用 3D（垂直）封装技术来提升电感器并将其作为散热器暴露在气流中。
剩余的 DC-DC 电路组装在电感器下方的基板上，从而最大限度地减少所需的 PCB 面积，同时提高热性能。
采用外露堆叠电感器的 3D 封装：保持小尺寸、增加功率并改善散热
更小的 PCB 占位面积、更大的功率和更好的热性能——这三者都可以通过 3D 封装同时实现，这是一种构建 POL 稳压器的新方法（图 1）。LTM4636是一款 µModule 稳压器，具有片上 DC 至 DC 稳压器 IC、MOSFET、支持电路和一个大电感器，以降低输出纹波并提供高达 40 A 的负载电流（从 12 V 输入到精确调节的输出电压范围） 0.6 V 至 3.3 V。四个并联运行的 LTM4636 器件可以均流以提供 160 A 的负载电流。封装的占位面积仅为 16 mm × 16 mm。该系列的另一款稳压器LTM4636-1，检测过热和输入/输出过压情况，并可以使上游电源或断路器跳闸以保护自身及其负载。
马力倡导者可以计算出 LTM4636 的功率密度，并安全地吹嘘它的数字令人印象深刻——但正如前面所讨论的，功率密度数字说明了一个不完整的故事。这款 µModule 稳压器还为系统设计人员的工具箱带来了其他显着优势：卓越的热性能源自令人印象深刻的 DC-DC 转换效率和无与伦比的散热能力。
为了最小化稳压器的占位面积 （16 mm × 16 mm BGA），电感器被抬高并固定在两个铜引线框架结构上，以便可以焊接其他电路组件（二极管、电阻器、MOSFET、电容器、DC-DC IC）在它下面的基板上。如果电感器放置在基板上，µModule 稳压器可以轻松占据超过 1225 mm2 的 PCB，而不是 256 mm2 的小尺寸（图 2）。
图2 LTM4636 的堆叠电感器兼作散热器，以在一个占板面积小的完整 POL 解决方案中实现令人印象深刻的热性能。
堆叠电感器结构为系统设计人员提供了紧凑的 POL 稳压器，并具有出色的热性能。与其他组件不同，LTM4636 中的堆叠电感器没有用塑料包覆成型（封装）。相反，它直接暴露在气流中。感应器外壳的形状包含圆角，以改善空气动力学（最小流量阻塞）。
图3 LTM4636 的建模热行为表明热量很容易转移到暴露在气流中的电感器封装。
热性能和效率
LTM4636 是一款具有 40 A 能力的 µModule 稳压器，它受益于 3D 封装技术或封装上组件 （CoP），如图 1 所示。封装的主体是一个包覆成型的 16 mm × 16 mm × 1.91 mm BGA 封装。由于电感器堆叠在模制部分的顶部，LTM4636 的总封装高度（从 BGA 焊球（其中 144 个）底部到电感器顶部）为 7.16 mm。
除了从顶部散发热量外，LTM4636 还设计用于有效地将热量从封装底部散发到 PCB。它有 144 个 BGA 焊球，带有专用于大电流流过的 GND、VIN 和 VOUT 的组。这些焊球共同充当 PCB 的散热器。LTM4636 经过优化，可从封装的顶部和底部散发热量，如图 3 所示。
即使在高转换比、12V 输入/1V 输出、40A （40W） 满负载电流和标准 200LFM 气流条件下运行，LTM4636 封装温度也仅比环境温度 （25°C） 升高 40°C C 至 26.5°C）。图 4 显示了 LTM4636 在这些条件下的热图像。
图4 调节器在 40 W 时的热结果显示温升仅为 40°C。
图 5 显示了输出电流热降额结果。在 200 LFM 时，LTM4636 可在高达 83°C 的环境温度下提供令人印象深刻的 40 A 全电流。半电流、20 A 降额仅在 110°C 的过高环境温度下发生。这使得 LTM4636 只要有一些气流可用，就能够以高容量运行。
图5 热降额显示在高达 83°C 的环境温度、200 LFM 下提供 40 A 的全电流。
图 6 中所示的高转换效率主要归功于性能最佳的 MOSFET 和 LTM4636 的强大驱动器。例如，一个 12 V 输入电源降压 DC-DC 控制器可实现：
5% 用于 12 V 输入至 3.3 V、25 A
93% 用于 12 V 输入至 1.8 V、40 A
12 V 输入至 1 V、40 A 时为 88%
图6 各种输出电压下的高 DC-DC 转换效率。
140 W、可扩展的 4 A × 40 A µModule POL 稳压器，带热平衡
一个 LTM4636 的额定负载电流为 40A。两个处于均流模式（或并联）的 LTM4636 可以支持 80A，而四个将支持 160A。使用并联 LTM4636 升级电源很容易；只需复制并粘贴单稳压器封装。
LTM4636 的电流模式架构实现了 40 A 模块之间的精确电流共享。反过来，精确的电流共享会产生一个电源，使热量在设备之间均匀分布。图 8 显示了一个带有四个 µModule 的 160 A 稳压器。具有这些规格的所有设备都在彼此的°C 范围内运行，确保没有单个设备过载或过热。这大大简化了散热。
图8 四个并联运行的 LTM4636 之间的精密电流共享，导致 160 A 应用的温度仅升高 40°C。
图9 具有四个 µModules 的 140 W 稳压器的效率。
图 10 显示了完整的 160 A 设计。请注意，LTM4636 无需时钟器件即可相互异相运行——包括时钟和相位控制。多相操作降低了输出和输入纹波电流，减少了所需的输入和输出电容器的数量。这里，图 10 中的四个 LTM4636 以 90° 异相运行。
图10 这款 140 W 稳压器具有四个并联运行的 LTM4636，
具有精密电流共享和 160 A 时的 12 V 输入至 0.9 V 输出的高效率。
结论
为人口密集的系统选择 POL 稳压器需要仔细检查器件的额定电压和电流强度。对其封装的热特性进行评估至关重要，因为它决定了冷却成本、PCB 成本和最终产品尺寸。3D 技术（也称为堆叠式垂直 CoP）的进步使大功率 POL 模块稳压器能够适应较小的 PCB 占位面积，但更重要的是，能够实现高效冷却。LTM4636 是首个受益于这种堆叠封装技术的 µModule 稳压器系列。作为一款采用堆叠电感器作为散热器的 40 A POL µModule 稳压器，它拥有 95% 至 88% 的效率，满载时仅升高 40°C，仅占用 16 mm × 16 mm 的 PCB 面积。
