用iPOWIRTM系列產(chǎn)品簡(jiǎn)化DC-DC 硬件設計

介紹

　　電源系統設計者正面臨著(zhù)越來(lái)越嚴峻的挑戰，一方面是提高電源性能來(lái)滿(mǎn)足更大負載的要求，另一方面是在日益緊湊的空間內為其它設備留出更多寶貴的空間以便增加系統功能，系統工程師也需要一種快捷、簡(jiǎn)單而且不需要太多電源設計工程師或資源的方案。此外，人們也期望有一種設計更加簡(jiǎn)潔明了能滿(mǎn)足各種特定應用需要的電源解決方案。

　　IR公司的iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品可以大大簡(jiǎn)化高密度、高效、緊湊的點(diǎn)式負載電源的設計，而且可以大大縮短設計和上市時(shí)間。iPOWIR Technology系列產(chǎn)品采用BGA封裝，具有很高的集成度，主要的功率半導體器件已經(jīng)集成在iPOWER內，其應用如圖1所示，僅需要很少的外圍器件i，同分立器件應用方案相比，可以節省約90%的器件，而且可以非常靈活地選擇外圍器件配置以適應不同的應用。IR公司的這一新的技術(shù)平臺可以大大簡(jiǎn)化PCB設計、熱設計以及生產(chǎn)工藝，使得一種新的終端電源系統設計成為可能。

　　以下是本文要詳細講述的內容：

　　*優(yōu)化基于iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品的PCB布局和熱設計

　　*保證功率損耗——免去繁瑣的功率損耗計算

　　*保證安全操作區——免去復雜的熱分析

　　*同其他方案相比縮小版面空間

　　*通過(guò)使用可自對準的BGA封裝器件，可以簡(jiǎn)化工藝并提升產(chǎn)量

優(yōu)化PCB版面設計

　　對于對功率器件布局安裝要求比較嚴格的DC-DC轉換器來(lái)說(shuō)BGA封裝提供了一個(gè)非?？煽康钠脚_，這種封裝具有非常低的熱阻，可以使內部溫度較低并且提供一個(gè)可以忍受較高的機械及熱應力的連接。將本器件安裝于PCB板上時(shí)請注意以下幾個(gè)簡(jiǎn)單的指導性原則ii：

　　1)PCB板應是FR-4或聚酰亞胺或其它滿(mǎn)足IPC-A-610規范的材料；

　　2）BGA器件的熱效率取決于器件到PCB的眾多并聯(lián)焊接球的散熱能力。

　　3）為了盡可能地減小熱阻還需要特別強調的是盡量多地使用錫球做為

　　功率連接，并且在焊接球區域設計成公共焊接區，而非獨立的球面。

　　BGA器件內部集成了大量有源及無(wú)源器件，而且對布線(xiàn)要求很?chē)栏竦钠骷技稍贐GA內部，所以外部布線(xiàn)非常簡(jiǎn)單，通常只有幾個(gè)很簡(jiǎn)單的輸入輸出引腳以及用戶(hù)引腳，與需要仔細布局布線(xiàn)以防止雜散參數影響的分立元件解決方案相比，可以大大簡(jiǎn)化電源的設計。熱設計也同樣如此，同常規的表面貼裝器件相比，設計者根本不必考慮如此多的問(wèn)題。圖2是典型的基于BGA的電路與常規分立器件的布局比較。

　　構成完整的電路還需要幾個(gè)外圍器件：輸入電容、輸出電容和輸出電感。這些元件的值是可以根據具體應用要求（如輸出電流、暫態(tài)響應、電壓和開(kāi)關(guān)頻率等）而改變的。由于對布局布線(xiàn)很敏感的同步整流變換器已經(jīng)集成在BGA內部，而且內部還有小容量的輸入電容，所以對外圍器件的要求相對較低，但在設計時(shí)還是要注意輸入電容和輸出濾波器應盡可能靠近BGA。當同時(shí)滿(mǎn)足有困難時(shí)，應優(yōu)先考慮輸入退耦電容，其次才是輸出濾波器，這是因為BGA內部的MOSFET可以產(chǎn)生高達2KV/μS的電壓變化率，減小輸入電容與BGA的距離有助于減小雜散參數的影響，防止振蕩。

應用iPOWIR時(shí)對終端系統熱環(huán)境的考慮

　　iPOWIRTM BGA器件通過(guò)向PCB傳遞熱量來(lái)降低自身溫度，因此需要考慮PCB的熱特性iii，而每個(gè)電路板的情況都不一樣，只有通過(guò)實(shí)際測量來(lái)確定板到環(huán)境的熱阻RTHBA。用一個(gè)功耗已知的器件（如大功率表貼電阻）代替iPOWIRTM器件，通以一定的電流，然后用熱電偶或其它方法測量板溫，一旦知道環(huán)境溫度TA板溫TPCB以及耗散功率PBLK就可以通過(guò)式1來(lái)算出板到環(huán)境的熱阻RTHBA。

　　RTHBA = (TB – TA) / P 式1

　　如圖3所示的傳統分立元件同步整流變換器中，要精確測量其功率損耗是相當復雜的，因為功率損耗可分為很多部分，每一部分都與多個(gè)量相關(guān)。設計者要花費大量的時(shí)間來(lái)選擇合適的MOSFET以及控制方式來(lái)適應不同的應用。在典型的低占空比（即VIN>>VOUT）應用中高側的MOSFET應當適當優(yōu)化以減少開(kāi)關(guān)損耗并盡可能降低通態(tài)電阻，同步整流FET也應該有盡量低的導通電阻，盡可能降低總的柵極電荷以便驅動(dòng)器能在指定的頻率下驅動(dòng)器件。對于同步整流FET，還應確保其特定的充電比例在一定范圍內，以防止在高頻應用時(shí)出現不必要的開(kāi)通。在高頻應用時(shí)開(kāi)關(guān)點(diǎn)產(chǎn)生很高的dv/dt可以在低端FET柵極上感應一個(gè)尖峰電壓，如果這個(gè)電壓達到開(kāi)啟門(mén)限，就會(huì )因為器件的微導通，從而導致上下管同時(shí)導通產(chǎn)生直通電流，這樣會(huì )降低效率甚至危及安全。

　　iPOWIRTM產(chǎn)品內部的控制電路、同步整流電路都是經(jīng)過(guò)優(yōu)化匹配，內部精心布局，充分考慮到降低損耗、減少雜散參數的影響以及防止誤導通等問(wèn)題，總之所有要求嚴格的工作都已被充分地重視。在生產(chǎn)過(guò)程中iPOWIRTM產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)100%測試的，設計者只需按照數據表給定的最大功耗和安全工作區進(jìn)行設計，完全不必象分立器件變換器設計那樣耗費大量的時(shí)間來(lái)考慮每一個(gè)器件的情況，整個(gè)設計變得非常簡(jiǎn)單。

　　數據表iv給出了一個(gè)給定工作環(huán)境下的最大容許熱耗和SOA曲線(xiàn)，同時(shí)也有曲線(xiàn)說(shuō)明如何確定輸入電壓、輸出電壓和工作頻率范圍，所有這些變量都與功率損耗表達式相關(guān)。通過(guò)確定功耗便可以得到安全工作區范圍，也可以得到特定工作環(huán)境下的最大板溫，數據表為設計工程師提供電源熱設計所需的重要信息，設計者唯一所要做的就是確認電路板的熱阻。

　　圖3 & 4v所示的是最大功耗和最大安全工作區的曲線(xiàn)示意圖，通過(guò)這些曲線(xiàn)可以檢驗在特定的環(huán)境中應用是否安全。例如在環(huán)境溫度60℃，板到環(huán)境熱阻為15℃/W的情況下，例A要工作于16A，其功耗為3.1 W，例B在14A應用時(shí)功耗為2.5 W，通過(guò)式1可以計算出例A的板溫為106.5℃，例B板溫為97.5℃，對照最大安全工作區的曲線(xiàn)可知例A已超出了安全工作區，故在該環(huán)境下并不能保證可靠工作；例B仍在安全工作區，故可以可靠工作。

　　相反地，這些等式也能用來(lái)確定在給定工作電流和環(huán)境溫度的情況下能可靠工作的PCB熱特性（電路板熱阻及最高允許溫度）或在給定的工作電流和電路板熱阻的情況下允許的最高環(huán)境溫度。

iPOWIR BGA 方案可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝

　　iPOWIRTM BGA器件的腳距是0.8mm，適合于標準的貼片機和回流焊爐，也就是說(shuō)生產(chǎn)時(shí)并不需要新的設備來(lái)裝配iPOWIRTM BGA器件。由于器件可以通過(guò)焊錫的表面張力自動(dòng)回到焊盤(pán)中央，所以定位誤差最大可以放寬到焊盤(pán)直徑的一半，即對于20mil的焊盤(pán)，定位誤差達到10mil時(shí)仍可以獲得很好的焊接效果。

結論

　　基于iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品的點(diǎn)式負載變換器具有適應范圍寬，外圍元件少，PCB版面設計簡(jiǎn)單，熱設計方便，對生產(chǎn)設備要求低等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便地為通訊/計算設備構筑高性能、結構緊湊的電源。IPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品是通用結構的終端系統電源解決方案的典范。

參考文獻及注解

i 請參照 iP1001 & iP2001 數據表 。

ii 請參照應用筆記 AN-1028 “Recommended Design, Integration and Rework Guidelines for International Rectifier’s iPOWIR BGA Packages”。

iii 請參照應用筆記 AN-1030 “Applying iPOWIR products in your thermal environment”。

iv 請參照iP2001 數據表 (PD#94089A)。

v Fig 3 & 4 是示意性的，并不是iPOWIR產(chǎn)品的實(shí)際特性曲線(xiàn)。