空間受限的高密度DC/DC電源設計

引言

　　高性能電源設計繼續要求在日漸縮小的板上空間中提供更高的功率。更高的電源密度對電源設計師提出了新的挑戰。設計必須具有高于 90% 的轉換效率，以限制功耗和電源中的溫升。由于 DC/DC 電源轉換的損耗和有限的氣流，使得散熱空間非常狹小，因此熱性能的設計尤其重要。在限制用以減小電源設計整體尺寸的外置電容時(shí)，這些電源必須具有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應。電源設計師被迫在設計一個(gè)分立式電源轉換器和購買(mǎi)一個(gè)傳統的電源模塊解決方案之間進(jìn)行選擇。分立式電源設計和傳統的電源模塊都是用分立元件在印刷電路板上制作的。關(guān)鍵是提供一個(gè)完全集成電路的易于使用的緊湊型電源設計方案，凌特公司的LTM4600 微型模塊電源為對空間要求嚴格的電源設計提供了一個(gè)解決方案。這種高性能負載點(diǎn)（POL）微型模塊可以在不犧牲溫度或電特性的情況下，解決空間狹小的問(wèn)題。我們就緊湊型（POL）穩壓器設計難題把本解決方案與分立式功率轉換器和傳統的電源模塊做一番比較。

　　如何為電源設計分配空間

　　這個(gè)大功率（POL）穩壓器是針對空間要求嚴格的電源設計的一個(gè)好例子。在大型系統板上，電源通常緊挨著(zhù)微處理器、FPGA 或 ASIC，以提供必要的電源。大型數字器件可能需要幾安培至高于100安培的電流范圍。一個(gè)大型系統板通常需要幾個(gè)這樣的負載點(diǎn)電源，因此，為每一個(gè)電源設計分配一定的空間就成了問(wèn)題。另外，系統板的背面通常對高度有限制，一般不適合電源設計利用。分立式電源轉換器通常為了實(shí)現緊湊設計而利用系統板的兩側，因為其本身的高度問(wèn)題，傳統電源模塊設計則只能限制在系統板的上面。傳統電源模塊設計一般都在戰略上考慮放在系統板上，以避免阻擋其它集成電路所需的氣流。由于在考慮電源穩壓器位置時(shí)會(huì )先考慮負載的位置，因此這常常會(huì )導致性能下降。LTM4600 微型模塊可以安裝在非?？拷撦d點(diǎn)的系統板表面或背面。

　　圖 1 顯示了雙面分立 POL 設計和集成電路模塊 POL 設計之間的差別。分立設計具有靈活性，可以單獨安裝在系統板上或作為一個(gè)傳統電源模塊提供給用戶(hù)，但它比集成電路模塊設計需要更大的 PCB 空間。分立設計在系統板的表面或背面不能有效地利用板上空間。分立設計還需要很多組件和謹慎的板布局，因此需要仔細地挑選和采購元件，同時(shí)對設計時(shí)間和技術(shù)也有一定的要求。傳統電源模塊具有與分立設計同樣的缺點(diǎn)。其差別在于，傳統電源模塊是在一個(gè)小型的印刷電路板上放置分立元件。這樣的器件被認為很容易采購和使用，但是卻需要解決散熱和重要的氣流問(wèn)題。相反，集成電路模塊方法則十分容易，而且需要的外置元件特別少。這樣的元器件可以像一個(gè)標準集成電路那樣安裝或焊接在PC板上。此外，由于占板面積小并具有優(yōu)越的熱性能，該集成電路模塊設計還可以非常簡(jiǎn)便地復制和安裝在多電源通道應用中。

　　不管是哪種設計方式都必須保證高效以限制功耗。圖2為通常情況下一個(gè) 12V ~ 3.3V設計中的效率曲線(xiàn)。要注意為什么輸出電流的范圍效率大多是在 90% 以上。大部分高性能 POL 穩壓器通常都是這樣，但是在效率和尺寸之間需要進(jìn)行平衡。負載點(diǎn)穩壓器的電源轉換效率通常與尺寸成正比，并與開(kāi)關(guān)頻率成反比。例如，使用較小的電感器、較少的電容、較低的功率 MOSFET、較少的 PCB 銅布線(xiàn)的更小電源設計通常會(huì )導致更大的功耗和更低的效率，因為這些小體積的元件熱阻較高。較高的開(kāi)關(guān)頻率可減小設計中電感器和電容器的體積和數值，而不需大電阻，但是功率 MOSFET 會(huì )因為這些器件的寄生電容，在更高的開(kāi)關(guān)頻率情況下導致更大的損耗。電源設計師必須進(jìn)行多方面的計算，對各種分立轉換器設計作出比較和選擇，通常需要在開(kāi)關(guān)頻率、效率和尺寸之間進(jìn)行權衡。

　　優(yōu)化封裝技術(shù)

　　利用創(chuàng )新的封裝技術(shù)，集成電路設計師在降低寄生電容和電感方面取得了進(jìn)展。該封裝技術(shù)與領(lǐng)先的電源控制、功率MOSFET和電感器技術(shù)的組合，可以提供非常密集的電源設計?，F在，也可以實(shí)現高得多的開(kāi)關(guān)頻率，而不會(huì )產(chǎn)生會(huì )導致效率降低的寄生性問(wèn)題。更高的頻率運行使得在給定的電壓紋波和瞬態(tài)響應情況下可使用少得多的外置電容。圖3是一個(gè)簡(jiǎn)化了的負載點(diǎn)模塊電路圖。一個(gè)先進(jìn)的電源控制架構，加上優(yōu)化的電源通道和封裝，可以為空間要求嚴格的POL設計提供優(yōu)秀的解決方案。電源控制架構需要具有高頻開(kāi)關(guān)、過(guò)流保護、過(guò)壓保護、均流、精確穩壓和快速控制環(huán)路能力，以在負載瞬態(tài)現象出現時(shí)維持輸出穩壓。沒(méi)有這些改進(jìn)的分立電源穩壓器和傳統的電源模塊則在性能和尺寸上有一定的限制。LTM4600 微型模塊，在一個(gè)完整、集成的電源解決方案中融入了所有這些先進(jìn)技術(shù)。

　　負載點(diǎn)穩壓器的大功率密度代表了大多數系統設計中重要的溫度挑戰。真正的問(wèn)題是，要從系統內的穩壓器中將熱量導出來(lái)，而這些系統需要在廣泛的溫度范圍內工作，溫度通?？蛇_50℃以上 。圖4和圖5顯示了33W分立或傳統模塊負載點(diǎn)穩壓器兩面的熱圖像。圖4顯示了安裝在20℃溫度的板表面電感器溫度與板溫度的對比情況。電感器不能很好地將熱量帶到板上，因此電感器的熱阻（q_JA）不是最理想的。圖5顯示了兩個(gè)安裝在板背面的功率 MOSFET熱圖像。兩個(gè)功率器件的溫度都將近 100℃，比板溫度高40℃。該功率MOSFET的8個(gè)外部引線(xiàn)是比較差的熱導體，表示一個(gè)高的熱阻。由于氣流有限，這對板的背面來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常嚴重的熱問(wèn)題。由于元件之間的高度參差不齊，分立設計的散熱比較困難。由于一些工業(yè)標準的電源模塊有著(zhù)與分立轉換器相似的結構，因此也有同樣的缺點(diǎn)。這些模塊采用熱阻相對較低的分立元件和標準印刷電路板材料，參差不齊的元件高度同樣使散熱困難。一個(gè)理想的電源模塊需要針對器件正面和背面進(jìn)行優(yōu)化的熱設計。

　　圖6顯示了與分立設計一樣在 33W情況下的LTM4600微型模塊熱圖像。其功耗與分立設計很類(lèi)似，但占板面積更小。該微型模塊優(yōu)化的熱封裝可以得到一致的溫升。功率元件安裝在微型模塊內部經(jīng)過(guò)優(yōu)化的底板上，并具非常低的熱阻。微型模塊的引腳也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，不僅有利于供電，而且也可以保證低熱阻。
正面塑封材料也具有低熱阻和溫度一致性。在33 W的應用中，該微型模塊的溫度比板的溫度僅高13℃。如果在LTM4600頂部安裝一個(gè)小型BGA散熱器，器件的溫度會(huì )大大降低。穿過(guò)該散熱器的氣流可進(jìn)一步降低溫升，從而使微型模塊在周?chē)h(huán)境溫度更高的情況下也能夠全功率運行。由于其扁平的尺寸和優(yōu)越的熱性能，LTM4600微型模塊可以安裝在板的背面，并選擇安裝散熱器在機箱上或者帶有散熱焊盤(pán)的板載體。

　　LTM4600對空間要求嚴格的電源設計具有獨特的優(yōu)勢。該微型模塊是一款獨特的功率器件，它將高性能電源所需的所有元件集成在一個(gè)非常小的體積內。該微型模塊可以像其它任何表面貼裝的集成電路一樣進(jìn)行焊接，僅需要非常少的外部元件。該微型模塊采用 15mm×15mm×2.8mm LGA 封裝，可使功率提升到 40W，效率高達 94%。兩個(gè)微型模塊甚至可以并聯(lián)在一起，使輸出功率加倍?，F在市場(chǎng)上產(chǎn)品設計周期越來(lái)越短，LTM4600 的易用性將能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　總體說(shuō)來(lái)，大功率密度的設計難點(diǎn)可以通過(guò)創(chuàng )新的集成電路和封裝技術(shù)得到有效的解決。LTM4600 微型模塊集合了這些創(chuàng )新技術(shù)，可以解決大功率密度設計中的問(wèn)題。模塊化的趨勢將繼續流行，因為它在解決先進(jìn)電源設計中經(jīng)常出現的空間和熱量問(wèn)題方面非常有效。