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ADI:怎么挑选散热功能杰出的高功率可扩展式POL调节器并节约电路板空间

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 从事高效、紧凑式DC-DC转换器设计艺术的是一

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

从事高效、紧凑式DC-DC转化器规划艺术的是一群精英工程师,他们对转化规划相关物理学原理和相关数学知识有着深化的了解,还具有丰厚的实践作业经验。凭仗对波特图、麦克斯韦方程组以及极点和零点的深化了解,他们能够打造出高雅的DC-DC转化器规划。可是,IC规划师一般会逃避扎手的散热问题——这项作业一般归于封装工程师的责任规模。

在负载点(POL)转化器中,专用IC之间的空间有限,因而散热是个大问题。POL调理器会发生热量,由于(现在)还没有电压转化的功率能到达100%。受结构、布局和热阻影响,封装会变得多热?封装的热阻不只会前进POL调理器的温度,还会添加PCB及周围组件的温度,因而会添加体系散热机制的复杂性、尺度和本钱。

PCB上的DC-DC转化器封装首要有两种散热办法:

经过PCB散热:

假如转化器IC选用表贴封装,则PCB上的导热性铜通孔和隔层会从封装底部散热。假如封装对PCB的热阻很低,选用这种散热办法足矣。

添加气流:

运用凉气流去除封装的热量(更准确地说,热量被转移到与封装外表触摸的快速运动的较冷空气分子中)。

当然还有被动式散热法和自动式散热办法,但为简化评论,咱们将它们视为第二类的子集。

面临上升的组件温度,PCB规划师能够从规范散热东西箱里去找常用的东西,比方添加铜,加装散热器,运用更大、更快的电扇,也能够简略地添加空间——运用更多PCB空间,添加PCB上组件之间的距离,或许添加PCB层的厚度。

任何这些东西都能够用在PCB上,使体系温度维持在安全限值以内,可是运用这些补救措施会下降终究产品在商场上的竞赛优势。产品(如路由器)或许需求运用更大的外壳,才干在PCB上为组件留出必要的距离空间;假如加装速度更快的电扇以添加气流,成果或许会添加噪声。这或许会使终究产品在商场上失掉优势,由于企业的竞赛优势表现在紧凑性、核算才干、数据速率、功率和本钱等方面。

要在高功耗POL调理器周围成功完成散热办理,就需求挑选正确的调理器,而这又要求进行细心的研讨。本文将展现怎么经过挑选正确的调理器简化电路板规划师的作业。

切勿仅凭功率密度来判别POL调理器

商场上有多种要素要求咱们完善电子设备的散热功能。最为显着的是,即便产品尺度不断缩小,功能也会继续前进。例如,28 nm至20 nm和亚20 nm级的数字器材需求较大功耗才干到达功能要求,由于立异设备规划师要用这些小型工艺出产更快、更小、更安静、更高效的器材。从这一趋势能够得出的显着定论是POL调理器有必要前进功率密度:(功率)/(体积)或(功率)/(面积)。

家常便饭的是,在有关调理器的文献中,功率密度一般被当作一项重要方针。较大的功率密度可使调理器锋芒毕露——当规划师从很多调理器中进行挑选时能够作为参阅方针。40 W/cm2 POL的调理器必定优于30 W/cm2的调理器。

产品规划师想把更高的功率塞进更紧凑的空间中——乍一看,超高的功率密度数值似乎是完成最快、最小、最安静、最高效的产品的最佳途径,就如用马力比较轿车功能相同。可是,功率密度在完成成功的终究规划方面到底有多重要?或许不如你想像的重要。

POL调理器有必要契合其运用的要求。挑选POL调理器时,有必要保证其具有在PCB上完成任务的才干,由于热量处理既或许成果运用,也或许销毁运用。以下是针对POL调理器的逐渐挑选流程主张,其间突出了热功能的重要性:

疏忽功率密度数值:

功率密度方针疏忽了热衰减问题,但该问题对实在有用功率密度的影响要大得多。

查看调理器的热衰减曲线:

配有完好文档而且技能方针完全的POL调理器应该配有对应的图形,其间标明了不同输入电压、输出电压和气流风速下的输出电流。数据手册应该展现POL调理器在实在作业条件下的输出电流才干,以便从热功能和负载电流功能的视点判别调理器的适用性。是否契合体系的典型和最大环境温度和气流风速要求?记住,输出电流热衰减与器材的热功能相关。二者密切相关,平等重要。

功率考虑:

是的,功率不是榜首考虑要素。独立运用时,功率成果或许无法准确表现DC-DC调理器的热特性。当然,功率值关于核算输入电流和负载电流、输入功耗、功率损耗和结温是必不可少的。功率值有必要与输出电流衰减和与器材及其封装相关的其他热数据结合运用。

例如,功率为98%的DC-DC降压转化器是十分不错的;假如它的功率密度值也十分超卓,无异于如虎添翼。与功率更低、功率密度更低的调理器比较,你会买它吗?精明的工程师应该问问看似不重要的2%功率丢失有什么影响。在运转进程中,这些功耗会对封装温度的升高发生什么样的影响?在60°C环境温度以及200 LFM(线性英尺/分)的风速下,高功率密度型高效调理器的结温有多高?不要只看25°C室温下的典型值。极温下的最大值和最小值是多少:-40°C、+85°C或+125°C?高功率密度下,封装热阻会升高到十分高的水平使结温快速超越安全作业温度吗?功率很高但价格昂贵的调理器要求多少衰减?衰减输出电流值会不会削弱输出功率功能,然后使器材的额外本钱失掉含义?

考虑POL调理器冷却的便利性:

数据手册中的封装热阻值是模仿和核算器材结温、环境温度和外壳温度的要害。由于表贴式封装中会有很多热量从封装底部流到PCB电路板,所以,有必要在数据手册中标明有关热量丈量的布局指引和评论成果,以削减体系原型开发进程呈现的突发状况。

规划精巧的封装应该经过外表高效、均匀地散热,然后消除或许导致POL调理器功能呈现衰减的热门。如上所述,PCB担任吸收和路由来自表贴式POL调理器的大部分热量。跟着强制气流散热办法在当今的高密度和高复杂度的体系中日渐盛行,规划精巧的POL调理器也应该运用这一免费的冷却时机,为MOSFET、电感等发热部件散热。

把热量从封装顶部引至空气中

高功率开关POL调理器用电感或变压器把输入电源电压转化成稳压输出电压。在非阻隔式降压POL调理器中,器材选用电感。电感和相关开关元件(如MOSFET)在DC-DC转化进程中会发生热量。

大约十年前,封装技能获得明显前进,使得包含磁体在内的整个DC-DC调理器电路均可被规划和安装在称为模块或SiP的超模压塑封装中。在该超模压塑封装中,发生的大部分热量都被经过封装底部路由至PCB。企图改进封装散热才干的任何惯例做法(比方在表贴封装顶部加装一个散热器)都会增大封装尺度。

几年前,一种新式模块封装技能被开发出来,运用气流辅佐冷却。在该封装规划中,一个散热器被集成到模块封装傍边并经嵌件注塑处理。在封装内部,散热器底部直接衔接MOSFET和电感,散热器的顶面则是一个平面,暴露在封装顶部。凭借这种新式封装内散热技能,用气流即可使器材快速冷却下来(有关示例,请点击此处,观看 LTM4620TechClip视频)。

选用笔直形式:以堆叠式电感作为散热器的POL模块调理器

POL调理器中的电感的巨细取决于电压、开关频率、电流处理功能及其结构。在模块化规划中,DC-DC电路(包含电感)被超模压塑并密封在塑料封装中,与IC相似;电感而非任何其他组件决议封装的厚度、体积和分量。电感也是一个重要的热源。

把散热器集成到封装中有助于将来自MOSFET和电感的热量传导至封装顶部,然后发出到空气、冷板或无源散热器中。在能够轻松将较小的低电流电感装进封装塑料模具资料的状况下,这种技能十分有用;但在POL调理器需求选用大型高电流电感的状况下,由于要把磁体装进封装就有必要扩展其他电路组件的距离,会大幅增大封装PCB占位面积,所以其有用性会大打折扣。为了既坚持较小的占位面积又改进散热功能,封装工程师开发了另一种技能——笔直、仓库或称3D(图1)。

Figure 1
图1. 高功率POL调理器模块运用3D(笔直)封装技能升高电感方位并使电感作为散热器暴露在气流下。剩余的DC-DC电路装配在电感下方的衬底上,既能削减需求的PCB面积,又能改进热功能。

选用暴露堆叠式电感的3D封装:坚持较小的占位面积,前进功率,完善散热

较小的PCB占位面积、更高的功率和更好的散热功能——有了3D封装(一种新式POL调理器结构办法,见图1),能够一起完成这三个方针。LTM4636是一款μModule®调理器,板载DC-DC调理器IC、MOSFET、支撑电路和一个大型电感,可削减输出纹波,供给最高40 A的负载电流,输入电压为12 V,精细调理输出电压规模为0.6 V至3.3 V。4个LTM4636器材并联能够经过电流同享办法供给160 A的负载电流。封装的占位面积仅为16 mm × 16 mm。该系列还有一款调理器 LTM4636-1,能够检测过温文输入/输出过压条件,而且能断开上行电源或断路器以维护自己及其负载。

功率至上者能够核算LTM4636的功率密度,并对核算得到的数值感到满意——但如前所述,功率密度数值并非悉数。这款μModule调理器还能给体系规划师的东西箱带来其他明显优势:杰出的DC-DC转化功率和无与伦比的散热才干成果超卓的散热功能。

为了尽量减小调理器的占位面积(16 mm × 16 mm BGA),将电感举高并固定在两个铜引线框架上,以便把其他电路组件(二极管、电阻、MOSFET、电容、DC-DC IC)装在其下方的衬底上。假如将电感装在衬底上,μModule调理器能够轻松占用超越1225 mm2而非256 mm2的PCB面积(图2)。

Figure 2
图2. 作为一款完好的POL解决方案,LTM4636堆叠式电感兼任散热器之职,可完成杰出的散热功能,具有占位面积细巧的特色。

凭借堆叠式电感结构,体系规划师既可打造出紧凑的POL调理器,一起还可享有杰出的散热功能。与其他组件不同,LTM4636中的堆叠式电感未选用超模压塑(密封)封装,而是直接暴露在气流下。电感外壳的形状选用圆角规划,以前进空气动态功能(削减对气流的阻止)。

Figure 3
图3. LTM4636的模仿散热行为显现,热量能够被轻松转移到暴露在气流下的电感封装上。

散热功能和功率

主体是16 mm × 16 mm × 1.91 mm超模BGA封装。LTM4636的电感堆叠于超模成型部分的顶部,从BGA焊球(共144个)底部到电感顶部的封装总高度为7.16 mm。

除了从顶部散热以外,LTM4636还选用了专门规划,能够高效地把来自封装底部的热量发出到PCB。这款器材有144个BGA焊球,高电流在GND、VIN和VOUT专用库中活动。这些焊球一起充任PCB的散热器。LTM4636经过优化,能够一起发出来自封装顶部和底部的热量,如图3所示。

即便在较大转化比、12 V输入/1 V输出、40 A (40 W)的全负载电流和200 LFM的规范气流条件下,LTM4636封装的温度也只会比环境温度(25°C至26.5°C)高40°C。图4所示为LTM4636在这些条件下的热图。

Figure 4
图4. 调理器在40 W下的热功能成果标明,温度只会前进40°C。

图5所示为输出电流热衰减成果。在200 LFM下,LTM4636的功能十分超卓,可输出40 A的全电流,环境温度最高为83°C。20 A半电流衰减只会呈现在环境温度到达110°C时。这样,只需有气流,LTM4636都能在高容量下运转。

Figure 5
图5. 热衰减标明在83°C最高环境温度、200 LFM下,全电流可达40 A。

图6所示高转化功率首要归功于高功能MOSFET和LTM4636超强的功能。例如,12 V输入电源降压DC-DC转化器能够完成:

  • 95%,12 V输入电压转化为3.3 V,25 A
  • 93%,12 V输入电压转化为1.8 V,40 A
  • 88%,12 V输入电压转化为1 V,40 A
Figure 6
图6. 多种输出电压下的高DC-DC转化功率。

带热平衡的140 W可扩展式4 A × 40 A μModule POL调理器

一个LTM4636的额外输出负载电流为40 A。在电流同享形式(或并联)下,2个LTM4636能够支撑80 A,4个能够支撑160 A。经过并联LTM4636的办法前进电源电流十分简略;只需仿制和张贴单个调理器的占位面积即可,如图7所示(供给契合和占位面积)。

Figure 7
图7. 并联LTM4636规划起来十分简略。只需仿制一个通道的布局即可。

凭借LTM4636的电流形式结构,能够在多个40 A模块之间完成准确电流同享。在精细电流同享形式下,电流会把热量均匀地散布在各个器材上。图8所示160 A调理器有4个μModule模块。在满意这些方针下,一切器材的作业温度都能彼此平衡,保证任何单个器材都会过载或过热。这就极大地简化了散热机制的规划。

Figure 8
图8. 并行运转的4个LTM4636之间的准确电流同享,在160 A运用中,温度仅升高40°C。
Figure 9
图9. 带4个μModule模块的140 W调理器的功率。

图10所示为完好的160 A规划。留意,LTM4636无需时钟器材即可彼此反相作业——包含时钟和相位操控。多相作业形式下能够削减输出和输入纹波电流,然后削减所需输入和输出电容的数量。在图10中,4个LTM4636彼此反相90°。

Figure 10
图10. 这款140 W的调理器搭载4个并行运转的LTM4636,选用准确电流同享形式,在160 A运用中,12 V输入电压转化为0.9 V输出电压的功率十分超卓。

定论

为密集型体系挑选POL调理器,只是查看器材的额外电压和额外电流是不行的。有必要评价器材封装的热特性,由于此项方针决议着冷却本钱、PCB的本钱以及终究产品的尺度。运用3D(也称为堆叠、笔直技能)CoP封装,能够将高功率POL模块调理器放在较小的PCB空间中,但更重要的是,能够完成功率冷却。LTM4636是从这种堆叠式封装技能获益的榜首个μModule调理器系列。作为一款以堆叠式电感作为散热器的40 A POL μModule调理器,其功率高达95%至88%,全负载下温度最多升高40°C,PCB占用面积只要16 mm × 16 mm。请前往linear.com/LTM4636观看有关LTM4636的视频。

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