電源管理系統的散熱問(wèn)題及解決辦法

　　設計一款功率轉換器并不簡(jiǎn)單，因為其中涉及多方面的技術(shù)知識。出色的功率轉換器設計工程師必須對模擬及混合信號電路的設計、變壓器繞組、電磁兼容性、封裝及散熱設計有一定的認識。由于電子產(chǎn)品的功率密度越來(lái)越大，加上不同的電源供應系統設計各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此工程師必須審慎考量，作出最適當的取舍，才可確保所采用的封裝及散熱設計能夠滿(mǎn)足電源管理系統的要求。部分電子產(chǎn)品需要傳送大量數據，令系統結構越趨復雜，因此散熱系統的設計越來(lái)越受到高度的關(guān)注。

　　稱(chēng)為“磚塊”的模塊式直流/直流轉換器在上一世紀的八十年代中期正式面世，自此以后，這方面的技術(shù)發(fā)展非常迅速。以十六分之一 磚塊的結構設計為例來(lái)說(shuō)， 1.2 平方英吋的印刷電路板板面空間可轉換功率高達 33W 至 50W。

　　電信系統總線(xiàn)可以在 36V 至 72V 的電壓范圍內操作，這個(gè)電壓范圍比容差較小的數據通信系統總線(xiàn)更為廣闊?？偩€(xiàn)轉換器負責在總線(xiàn)上進(jìn)行功率轉換，其中的每一張子卡都互相分隔開(kāi)。轉換器采用這種磚塊格局尚屬首次，但磚塊結構有它的優(yōu)點(diǎn)，因為子卡上的供電可直接輸入負載電路。近年來(lái)數字信號處理器及數字特殊應用集成電路大受歡迎，因此中間總線(xiàn)結構便應運而生。這種結構的優(yōu)點(diǎn)是總線(xiàn)轉換器可以提供隔離的 12V 至 14V 供電，而卡上負載的點(diǎn)負載穩壓器則負責進(jìn)一步的功率轉換。

　　設計電源供應器的工程師一旦為應用系統選定電路布局之后，便要面對以下的問(wèn)題：究竟需要多少功率轉換級 1 ？轉換器究竟應采用硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)？由于這兩個(gè)問(wèn)題的關(guān)系，選用哪一類(lèi)開(kāi)關(guān)及整流器便顯得極為重要。大部分磚塊式轉換器都采用功率 MOSFET 組建電源開(kāi)關(guān)及低電壓同步整流器。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，MOSFET 技術(shù)已相當成熟，現在系統設計工程師甚至可以選用具有標準導通狀態(tài)電阻 (RDS-ON) 的溝道型芯片及極間電容較低的平面型芯片。電壓及電流的額定值一旦確定之后，選用哪一類(lèi)芯片便要視乎芯片的最大損耗究竟來(lái)自開(kāi)關(guān)速度還是來(lái)自導通狀態(tài)電阻？近來(lái)，CDG / CGS 比率受到系統設計工程師高度的重視，因為這個(gè)比率是顯示高功率、高頻率的半橋式功率轉換級會(huì )否出現射穿情況的指標。

開(kāi)關(guān)頻率及電磁干擾之間的適當平衡

　　好的功率轉換器除了要有較高的開(kāi)關(guān)頻率之外，也要顧及系統的轉換效率及電磁干擾。換言之，各方面都要兼顧，力求取得適當的平衡。開(kāi)關(guān)頻率越高，電源開(kāi)關(guān)、整流器及控制電路的開(kāi)關(guān)損耗便會(huì )越高。以模塊式直流/直流轉換器來(lái)說(shuō)，只要提高開(kāi)關(guān)頻率便可采用較小的濾波器及能源儲存元件，這是提高開(kāi)關(guān)頻率的好處。但以采用硬開(kāi)關(guān)的系統來(lái)說(shuō)，電源管理芯片的高頻信號會(huì )出現較多諧波，令芯片與散熱器或供電層之間的雜散電容出現大量位移電流。這些位移電流甚至會(huì )流入變壓器的線(xiàn)圈電容，最后甚至會(huì )造成共模干擾。

　　以采用直流/直流轉換器的控制及驅動(dòng)系統來(lái)說(shuō)，工程師設計集成電路及其封裝時(shí)，已考慮到磚塊轉換器的結構而作出適當的調節。以電路的設計來(lái)說(shuō)，更高的技術(shù)集成度、板上高電壓穩壓器、更高時(shí)鐘頻率以及可編程壓擺率的低射穿驅動(dòng)器都適合新一代的設計采用 2。散熱是設計電源管理集成電路需要面對的主要問(wèn)題。電源管理集成電路內置的驅動(dòng)器、穩壓器通道晶體管以及電源開(kāi)關(guān)都設于裸片的外圍，緊貼焊盤(pán)。這些內置芯片及晶體管進(jìn)行操作時(shí)，熱能會(huì )傳遍整顆裸片，形成一幅由不同等溫線(xiàn)組成的熱能“分布圖”。若不同的晶體管分別設于不同的等溫線(xiàn)之上，部分次電路 (尤其是溫度必須相匹配的差分電路) 便會(huì )在性能上受到影響。集成電路的線(xiàn)路布局必須作出調整，例如芯片正常操作時(shí)，不同晶體管在同一時(shí)間內都處于相同的溫度之下，但要取得這樣的效果并不容易。電源管理集成電路的縮微圖顯示部分芯片經(jīng)常采用交叉耦合的設計，以便可以在初期階段減少熱能的耗散量。

圖1：LLP 封裝的正面及反面

　　圖 1 顯示的無(wú)引線(xiàn)導線(xiàn)封裝 (LLPÒ) 是一種有導線(xiàn)的芯片級封裝 (CSP)，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高芯片的速度，降低熱阻以及占用較少印刷電路板的板面空間。由于這種封裝具有體積小巧及外型纖薄的優(yōu)點(diǎn)，因此最適用于設有模塊式直流/直流轉換器、元件較為密集的多層式印刷電路板。

圖2：LLP 封裝的有限接線(xiàn)原理圖 (finite element plot)

LLP 封裝有如下的優(yōu)點(diǎn)：