從事高效緊湊式DCDC轉換器設計藝術的是一群精英工程師他們對轉換設計相關物理學原理和相關數學知識有着深入的明白還擁有厚實的實踐事情履歷依附對波特圖麥克斯韋方程組以及極點和零點的深入明白他們可以打造出優雅的DCDC轉換器設計然而IC設計師通常會迴避棘手的散熱問題這項事情通常屬於封裝工程師的職責局限,在負載點POL轉換器中專用IC之間的空間有限因此散熱是個大問題POL調治器會發生熱量由於現在還沒有電壓轉換的效率能到達100受結構結構和熱阻影響封裝會變得多熱封裝的熱阻不僅會提高POL調治器的溫度還會增添PCB及周圍組件的溫度因而會增添系統散熱機制的龐大性尺寸和成本,PCB上的DCDC轉換器封裝主要有兩種散熱方式,通過PCB散熱,若是轉換器IC接納表貼封裝則PCB上的導熱性銅通孔和隔層會從封裝底部散熱若是封裝對PCB的熱阻很低接納這種散熱方式足矣,增添氣流,行使冷氣流去除封裝的熱量更準確地說熱量被轉移到與封裝外面接觸的快速運動的較冷空氣分子中,固然另有被動式散熱法和自動式散熱方式但為簡化討論我們將它們視為第二類的子集,面臨上升的組件溫度PCB設計師可以從尺度散熱工具箱里去找常用的工具好比增添銅加裝散熱器使用更大更快的風扇也可以簡樸地增添空間使用更多PCB空間增添PCB上組件之間的距離或者增添PCB層的厚度,任何這些工具都可以用在PCB上使系統溫度維持在平安限值以內然則使用這些解救措施會降低最終產物在市場上的競爭優勢產物如路由器可能需要使用更大的外殼才氣在PCB上為組件留出需要的距離空間若是加裝速率更快的風扇以增添氣流效果可能會增添噪聲這可能會使最終產物在市場上失去優勢由於企業的競爭優勢體現在緊湊性盤算能力數據速率效率和成本等方面,要在高功耗POL調治器周圍樂成實現散熱治理就需要選擇準確的調治器而這又要求舉行仔細的研究本文將展示若何通過選擇準確的調治器簡化電路板設計師的事情,切勿僅憑功率密度來判斷POL調治器,市場上有多種因素要求我們完善电子裝備的散熱性能最為顯著的是縱然產物尺寸不停縮小性能也會連續提升例如28nm至20nm和亞20nm級的数字器件需要較大功耗才氣到達性能要求由於創新裝備設計師要用這些小型工藝生產更快更小更平靜更高效的器件從這一趨勢可以得出的顯著結論是POL調治器必須提高功率密度功率體積或功率面積,無獨有偶的是在有關調治器的文獻中功率密度一樣平常被看成一項主要指標較大的功率密度可使調治器脫穎而出當設計師從眾多調治器中舉行選擇時可以作為參考指標40Wcm2POL的調治器一定優於30Wcm2的調治器,產物設計師想把更高的功率塞進更緊湊的空間中乍一看超高的功率密度數值似乎是實現最快最小最平靜最高效的產物的最佳途徑就如用馬力對照汽車性能一樣然則功率密度在實現樂成的最終設計方面到底有多主要可能不如你想像的主要,POL調治器必須相符其應用的要求選擇POL調治器時必須確保其具備在PCB上完成義務的能力由於熱量處置既可能成就應用也可能毀掉應用以下是針對POL調治器的逐步選擇流程建議其中突出了熱性能的主要性,忽略功率密度數值,功率密度指標忽略了熱衰減問題但該問題對真實有用功率密度的影響要大得多,檢查調治器的熱衰減曲線,配有完整文檔而且手藝指標齊全的POL調治器應該配有對應的圖形其中標示了差異輸入電壓輸出電壓和氣流風速下的輸出電流數據手冊應該展示POL調治器在真實事情條件下的輸出電流能力以便從熱性能和負載電流性能的角度判斷調治器的適用性是否相符系統的典型和最大環境溫度和氣流風速要求記着輸出電流熱衰減與器件的熱性能相關二者親熱相關一致主要,效率思量,是的效率不是第一思量因素自力使用時效率效果可能無法準確體現DCDC調治器的熱特徵固然效率值對於盤算輸入電流和負載電流輸入功耗功率消耗和結溫是必不能少的效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關的其他熱數據連繫使用,例如效率為98的DCDC降壓轉換器是異常不錯的若是它的功率密度值也異常精彩無異於錦上添花與效率更低功率密度更低的調治器相比你會買它嗎精明的工程師應該問問看似不主要的2效率損失有什麼影響在運行歷程中這些功耗會對封裝溫度的升高發生什麼樣的影響在60C環境溫度以及200LFM線性英尺分的風速下高功率密度型高效調治器的結溫有多高不要只看25C室溫下的典型值極溫下的最大值和最小值是若干40C85C或125C高功率密度下封裝熱阻會升高到異常高的水平使結溫快速跨越平安事情溫度嗎效率很高但價錢昂貴的調治器要求若干衰減衰減輸出電流值會不會削弱輸出功率性能從而使器件的分外成本失去意義,思量POL調治器冷卻的便利性,數據手冊中的封裝熱阻值是模擬和盤算器件結溫環境溫度和外殼溫度的要害由於表貼式封裝中會有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板以是必須在數據手冊中標明有關熱量丈量的結構指引和討論效果以削減系統原型開發歷程泛起的突發情形,設計優良的封裝應該通過外面高效平均地散熱從而消除可能導致POL調治器性能泛起衰減的熱門如上所述PCB認真吸收和路由來自表貼式POL調治器的大部門熱量隨着強制氣流散熱方式在當今的高密度和高龐大度的系統中日漸盛行設計優良的POL調治器也應該行使這一免費的冷卻時機為MOSFET電感等發燒部件散熱,把熱量從封裝頂部引至空氣中,高功率開關POL調治器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉換成穩壓輸出電壓在非隔離式降壓POL調治器中器件接納電感電感和相關開關元件如MOSFET在DCDC轉換歷程中會發生熱量,約莫十年前封裝手藝取得顯著提高使得包羅磁體在內的整個DCDC調治器電路均可被設計和安裝在稱為模塊或SiP的超模壓塑封裝中在該超模壓塑封裝中發生的大部門熱量都被通過封裝底部路由至PCB試圖改善封裝散熱能力的任何通例做法好比在表貼封裝頂部加裝一個散熱器都市增大封裝尺寸,幾年前一種新型模塊封裝手藝被開發出來行使氣流輔助冷卻在該封裝設計中一個散熱器被集成到模塊封裝當中並經嵌件注塑處置在封裝內部散熱器底部直接毗鄰MOSFET和電感散熱器的頂面則是一個平面裸露在封裝頂部藉助這種新型封裝內散熱手藝用氣流即可使器件快速冷卻下來有關示例請點擊此處旁觀LTM4620TechClip視頻,接納垂直模式以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調治器,POL調治器中的電感的巨細取決於電壓開關頻率電流處置性能及其結構在模塊化設計中DCDC電路包羅電感被超模壓塑並密封在塑料封裝中與IC類似電感而非任何其他組件決議封裝的厚度體積和重量電感也是一個主要的熱源,把散熱器集成到封裝中有助於未來自MOSFET和電感的熱量傳導至封裝頂部從而散發到空氣冷板或無源散熱器中在可以輕鬆將較小的低電流電感裝進封裝塑料模具質料的情形下這種手藝異常有用但在POL調治器需要接納大型高電流電感的情形下由於要把磁體裝進封裝就必須擴大其他電路組件的間距會大幅增大封裝PCB佔位面積以是其有用性會大打折扣為了既保持較小的佔位面積又改善散熱性能封裝工程師開發了另一種手藝垂直客棧或稱3D圖1,圖1高功率POL調治器模塊運用3D垂直封裝手藝升高電感位置並使電感作為散熱器露出在氣流下剩下的DCDC電路裝配在電感下方的襯底上既能削減需要的PCB面積又能改善熱性能,接納裸露堆疊式電感的3D封裝保持較小的佔位面積提高功率完善散熱,較小的PCB佔位面積更高的功率和更好的散熱性能有了3D封裝一種新型POL調治器組織方式見圖1可以同時實現這三個目的LTM4636是一款Module調治器板載DCDC調治器ICMOSFET支持電路和一個大型電感可削減輸出紋波提供最高40A的負載電流輸入電壓為12V周詳調治輸出電壓局限為06V至33V4個LTM4636器件並聯可以通過電流共享方式提供160A的負載電流封裝的佔位面積僅為16mm16mm該系列尚有一款調治器LTM46361可以檢測過溫順輸入輸出過壓條件而且能斷開上行電源或斷路器以珍愛自己及其負載,功率至上者可以盤算LTM4636的功率密度並對盤算獲得的數值感應知足但如前所述功率密度數值並非所有這款Module調治器還能給系統設計師的工具箱帶來其他顯著優勢卓越的DCDC轉換效率和無與倫比的散熱能力成就精彩的散熱性能,為了只管減小調治器的佔位面積16mm16mmBGA將電感抬高並牢靠在兩個銅引線框架上以便把其他電路組件二極管電阻MOSFET電容DCDCIC裝在其下方的襯底上若是將電感裝在襯底上Module調治器可以輕鬆佔用跨越1225mm2而非256mm2的PCB面積圖2,圖2作為一款完整的POL解決方案LTM4636堆疊式電感兼任散熱器之職可實現卓越的散熱性能具有佔位面積小巧的特點,藉助堆疊式電感結構系統設計師既可打造出緊湊的POL調治器同時還可享有卓越的散熱性能與其他組件差異LTM4636中的堆疊式電感未接納超模壓塑密封封裝而是直接露出在氣流下電感外殼的形狀接納圓角設計以提高空氣動態性能削減對氣流的阻礙,圖3LTM4636的模擬散熱行為显示熱量可以被輕鬆轉移到露出在氣流下的電感封裝上,散熱性能和效率,主體是16mm16mm191mm超模BGA封裝LTM4636的電感堆疊於超模成型部門的頂部從BGA焊球共144個底部到電感頂部的封裝總高度為716mm,除了從頂部散熱以外LTM4636還接納了專門設計可以高效地把來自封裝底部的熱量散發到PCB這款器件有144個BGA焊球高電流在GNDVIN和VOUT專用庫中流動這些焊球配合充當PCB的散熱器LTM4636經由優化可以同時散發來自封裝頂部和底部的熱量如圖3所示,縱然在較大轉換比12V輸入1V輸出40A40W的全負載電流和200LFM的尺度氣流條件下LTM4636封裝的溫度也只會比環境溫度25C至265C高40C圖4所示為LTM4636在這些條件下的熱圖,圖4調治器在40W下的熱性能效果解釋溫度只會提高40C,圖5所示為輸出電流熱衰減效果在200LFM下LTM4636的性能異常精彩可輸出40A的全電流環境溫度最高為83C20A半電流衰減只會泛起在環境溫度到達110C時這樣只要有氣流LTM4636都能在高容量下運行,圖5熱衰減解釋在83C最高環境溫度200LFM下全電流可達40A,圖6所示高轉換效率主要歸功於高性能MOSFET和LTM4636超強的性能例如12V輸入電源降壓DCDC轉換器可以實現,9512V輸入電壓轉換為33V25A,9312V輸入電壓轉換為18V40A,8812V輸入電壓轉換為1V40A,圖6多種輸出電壓下的高DCDC轉換效率,帶熱平衡的140W可擴展式4A40AModulePOL調治器,一個LTM4636的額定輸出負載電流為40A在電流共享模式或並聯下2個LTM4636可以支持80A4個可以支持160A通過並聯LTM4636的方式提高電源電流異常簡樸只需複製和粘貼單個調治器的佔位面積即可如圖7所示提供相符和佔位面積,圖7並聯LTM4636設計起來異常簡樸只需複製一個通道的結構即可,藉助LTM4636的電流模式結構可以在多個40A模塊之間實現準確電流共享在周詳電流共享模式下電流會把熱量平均地漫衍在各個器件上圖8所示160A調治器有4個Module模塊在知足這些指標下所有器件的事情溫度都能相互平衡確保任何單個器件都市過載或過熱這就極大地簡化了散熱機制的設計,圖8并行運行的4個LTM4636之間的準確電流共享在160A應用中溫度僅升高40C,圖9帶4個Module模塊的140W調治器的效率,圖10所示為完整的160A設計注重LTM4636無需時鐘器件即可相互反相事情包羅時鐘和相位控制多相事情模式下可以削減輸出和輸入紋波電流從而削減所需輸入和輸出電容的數目在圖10中4個LTM4636相互反相90,圖10這款140W的調治器搭載4個并行運行的LTM4636接納準確電流共享模式在160A應用中12V輸入電壓轉換為09V輸出電壓的效率異常精彩,結論,為麋集型系統選擇POL調治器僅僅檢查器件的額定電壓和額定電流是不夠的必須評估器件封裝的熱特徵由於此項指標決議着冷卻成本PCB的成本以及最終產物的尺寸使用3D也稱為堆疊垂直手藝CoP封裝可以將高功率POL模塊調治器放在較小的PCB空間中但更主要的是可以實現效率冷卻,作者AfshinOdabaee,泉源ADI,聲明,本文由作者原創文章內容系作者小我私人看法电子發燒友網轉載僅作為轉達一種差其餘看法不代表电子發燒友網對該看法的讚許或支持若有異議迎接聯繫电子發燒友網,更多熱門文章閱讀,突破算力與存儲雲服務廠商盯上EDA上雲,語音芯片騰飛真剛需浮出水面互聯網巨頭或入場圈地,11月新能源汽車銷量飆漲1049特斯拉Model3和比亞迪漢為何引爆市場,對標ArmCortexA7x賽昉宣布RISCV高性能處置器內核三星增產CIS全力追趕索尼一周科技熱評,Arm服務器芯片或將迎來春天,b超胎方位圖解(在孕期的時候)
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