很多人認為，DC/DC開(kāi)關(guān)穩壓器的電壓轉換效率是最后一項需要測量的性能。效率數字就是所測得的值，列在數據表中，當系統設計師試圖從幾家廠(chǎng)商中選出一個(gè)解決方案時(shí)，會(huì )針對一系列電壓和電流畫(huà)出效率曲線(xiàn)，并進(jìn)行比較。為了實(shí)現高效率(這個(gè)詞具有相對含義，不過(guò)我們假定一下，所謂高效率，即效率數字高于85%)，模擬芯片設計師和模擬應用工程師會(huì )非常仔細地嘗試書(shū)中列出的每一種巧妙的方法，例如調節電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率、改變其柵極驅動(dòng)的大小等。令人意外的是，僅靠芯片或IC并不能保證一個(gè)電路實(shí)現最高效率。外部組件的選擇確實(shí)對一個(gè)IC有極大的影響，可能令一個(gè)十分出色的IC表現平平。在設計一個(gè)高效率DC/DC開(kāi)關(guān)負載點(diǎn)穩壓器時(shí)，電感器、電容器和PCB布局的選擇以及系統設計師的技能都是至關(guān)重要的因素。不過(guò)，有了“高效率”數字，熱量管理的事情依然沒(méi)有結束。
單單根據其轉換效率來(lái)判定負載點(diǎn)DC/DC穩壓器的熱性能就類(lèi)似于依照發(fā)動(dòng)機尺寸來(lái)推測汽車(chē)的速度。用12汽缸的蘭博基尼發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)一輛自卸貨車(chē)或許會(huì )讓人對其速度產(chǎn)生虛夸的想象，然而空氣動(dòng)力定律則徹底剝奪了這樣一部貨車(chē)參加一級方程式賽車(chē)比賽的可能性。類(lèi)似地，一個(gè)效率為90%、熱量為3.5W的DC/DC降壓型穩壓器，如果采用一個(gè)非常吸引和具22oC/Wj-a熱阻的纖巧封裝，那么造成的熱量管理挑戰會(huì )使這個(gè)DC/DC穩壓器幾乎變得不現實(shí)，而且常常使其過(guò)于昂貴而無(wú)法使用：在環(huán)境溫度為40oC時(shí)，3.5WX22oC/W產(chǎn)生約為117oC的節溫。當然，有幾種去除封裝中熱量的方法，例如采用風(fēng)扇、增大PCB銅箔面積、增加散熱器等�？傊�，這些補救方法增加了設計的復雜性、提高了成本且需要更大的空間以散出熱量。
渴望獲得功率并對其加以控制
控制熱耗散并提高功率分配效率的戰斗一直在不斷加劇。數字設備和基礎設施的最佳控制和可靠性在很大程度上取決于被用作FPGA、ASIC、收發(fā)器和存儲模塊以及RF放大器和傳感器之分布式DC電源的DC/DC轉換器的性能。除了諸如穩壓準確度或瞬態(tài)響應等電性能之外，熱性能在選擇DC/DC穩壓器的過(guò)程中已經(jīng)成為一項越來(lái)越關(guān)鍵的因素。
可擴展和模塊化的DC/DC穩壓器解決方案
這個(gè)72W的解決方案(參見(jiàn)圖1)依靠4個(gè)微型模塊(μModule?)穩壓器的準確均流和低熱阻值，在一個(gè)緊湊的表面積上均勻地散出熱量以防止熱點(diǎn)。每個(gè)DC/DC微型模塊穩壓器都是一個(gè)完整的電源，具電感器、MOSFET和DC/DC控制器電路，裝在一個(gè)外形尺寸類(lèi)似IC的封裝中。每個(gè)穩壓器都能從4.5V至20V的寬輸入范圍提供12A(或如果并聯(lián)會(huì )更大)，從而成為通用和可擴展的解決方案。并聯(lián)系統設計涉及的不僅是每個(gè)電路布局的復制和粘帖。該微型模塊穩壓器僅占用15mmx15mm的電路板面積，高度僅為2.8mm。除了良好的效率性能，該封裝還具有僅為15oC/Wj-a的熱阻。這么扁平的封裝允許空氣在整個(gè)電路上方順暢地流動(dòng)，從而去除了電路產(chǎn)生的熱量(參見(jiàn)圖2至圖5)。這個(gè)解決方案對其周?chē)慕M件幾乎沒(méi)有熱遮蔽，從而有助于進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)系統的熱性能。
圖1：4個(gè)DC/DC微型模塊穩壓器系統均流，以在48A時(shí)提供穩定的1.5V電壓，每個(gè)微型模塊穩壓器的高度僅為2.8mm，占用15mmx15mm電路板面積。每個(gè)微型模塊僅重1.7g，并采用類(lèi)似IC的外形尺寸，在電路板組裝時(shí)，可非常容易地用任何抓放型機器來(lái)取放。
突破效率范疇來(lái)考慮問(wèn)題
圖2至圖5是圖1所示電路板的熱像，提供了特定位置的溫度讀數以及空氣流動(dòng)的方向和速度。光標1至4顯示對每個(gè)模塊表面溫度的估計。光標5至7指示PCB的表面溫度。請注意，靠里面的兩個(gè)穩壓器(光標1和2)和靠外面的兩個(gè)穩壓器(光標3和4)之間的溫度差。放置在外側的微型模塊穩壓器左面和右面有較大的平面，有助于散熱，從而使外側的微型模塊穩壓器的溫度低幾度。里側的兩個(gè)微型模塊穩壓器僅有較小的頂部和底部平面散發(fā)熱量，因此比外側的兩個(gè)溫度稍高一些。
氣流對系統的熱平衡有很大影響。請注意圖2和圖3之間的溫差。在圖3中，200LFM的氣流均勻地從演示版的底部流向頂部，與圖2中無(wú)空氣流動(dòng)的情況相比，圖3中電路板一邊比另一邊的溫度下降了20°C。氣流方向也很重要。在圖4中，氣流從右向左流動(dòng)，將熱量從一個(gè)微型模塊穩壓器推送到下一個(gè)，引起堆疊效應。右邊的微型模塊穩壓器最靠近氣流來(lái)源，是溫度最低的。由于從其他LTM4601微型模塊穩壓器漫出的熱量，最左邊的微型模塊穩壓器溫度略高。圖5顯示了熱量從一個(gè)微型模塊器件堆疊到另一個(gè)的極端情況。4個(gè)微型模塊穩壓器中的每一個(gè)都配備了一個(gè)BGA散熱器，整個(gè)電路板在一個(gè)容器內工作，環(huán)境溫度為75°C。
圖2：如圖1中48A、1.5V電路的熱像，在各DC/DCμModule之間實(shí)現了平衡的功率均分以及低的溫升，即使沒(méi)有氣流也不例外(VIN=20V至1.5VOUT/40A)。
圖3：具200LFM從底部至頂部氣流的4個(gè)并聯(lián)LTM4601的熱像(20VIN至1.5VOUT/40A)。
圖4：在環(huán)境溫度為50oC并具有400LFM從右至左氣流的容器中，4個(gè)并聯(lián)LTM4601的熱像(12VIN/至1.0VOUT/40A)
圖5：在環(huán)境溫度為75oC并具有400LFM從右至左氣流的容器中，當采用BGA散熱器時(shí)，4個(gè)并聯(lián)LTM4601的熱像(12VIN至1.0VOUT/40A)
你的系統有多環(huán)保?
這里是另一個(gè)需要高達15A的大負載電流的3.3Vin系統的例子。LTM4611采用耐熱增強型LGA(焊盤(pán)網(wǎng)格陣列)封裝，以小的焊盤(pán)格局(僅為15mmx15mm)和小的物理體積(高度僅為4.32mm，占用空間僅為1立方厘米)提供了富有吸引力的高效率。圖6顯示了LTM4611在各種不同的輸入和輸出電壓組合情況下的效率。除了高效率，就給定輸入電壓條件而言，LTM4611的功率損耗曲線(xiàn)也相對平坦，這使LTM4611在后續產(chǎn)品中的熱設計和重用變得容易了，即使由于IC芯片縮小，軌電壓變?yōu)楦椭禃r(shí)也一樣。
面對應用數量的日益增加，降低輕負載時(shí)的功耗與降低重負載時(shí)的功耗相比，如果不是更重要，起碼也是一樣重要。只要可能而且無(wú)論何時(shí)只要現實(shí)(就節能而言)，數字設備就被有意設計為在較低功率狀態(tài)工作，而且僅間歇性地吸取峰值功率(滿(mǎn)負載)，這種情況越來(lái)越普遍。圖6顯示，在較輕負載電流(<3A)時(shí)以PSM和突發(fā)模式工作，效率上可獲得的好處。
圖6：超低VIN15ADC/DC微型模塊穩壓器LTM4611的效率
耐熱增強型封裝
該器件的LGA封裝允許同時(shí)從頂部和底部散熱，從而為使用金屬底盤(pán)或BGA散熱器提供了方便。這種外形在有或沒(méi)有氣流時(shí)，都有助于實(shí)現卓越的散熱。圖7顯示了LTM4611頂部的紅外(IR)熱像，在實(shí)驗臺上進(jìn)行測試且沒(méi)有氣流時(shí)，顯示功率損耗為3.5W，并將5V輸入轉換為1.5V/15A輸出。最熱的表面溫度約為65°C。
圖7：LTM4611穩壓器從5Vin至1.5V/15A輸出的頂部熱像。功耗為3.5W。在實(shí)驗臺上進(jìn)行且沒(méi)有氣流時(shí)的測試結果，表面溫度熱點(diǎn)為65°C。
與圖7對比，圖8顯示了另一個(gè)LTM4611頂部的IR熱像，在實(shí)驗臺上進(jìn)行測試且沒(méi)有氣流時(shí)，顯示功率損耗僅為3.2W，并將1.8V輸入轉換為1.5V/15A輸出。熱點(diǎn)位置(而不是熱點(diǎn)大小)與用5V輸入工作時(shí)看到的位置略有變化。
圖8：1.8VIN、1.5VOUT/15A輸出負載、3.2W功率損耗、氣流為0LFM、表面溫度為65oC時(shí)的技術(shù)視頻(URL：http://video.linear.com.cn/55)
熱性能的技術(shù)短片(TechClip)
對于許多DC/DCμModule穩壓器而言，為了證明其熱性能，除了提供效率指標和輸出功率降額曲線(xiàn)之外，簡(jiǎn)捷明快的45秒視頻技術(shù)短片是幫助了解器件熱特性的一種極為有用的方法。圖8給出了LTM4611的技術(shù)短片示例。采用了一部紅外攝像機來(lái)記錄LTM4611操作期間其表面溫度隨著(zhù)發(fā)熱而變化的情況。需特別留意用于測量LTM4611表面溫度的矢量(標注為1和2)。測量的環(huán)境溫度為31.5oC。
藍色代表最低溫度，黃色指示較熱的區域。請注意，當觀(guān)察顏色以確定溫度時(shí)，色譜(藍色到黃色到白色)指示溫度的變化，而不是絕對值。例如，一種情況下的黃色可能對應于70oC，但在其他測試條件下則代表110oC。因此，除了顏色，還需特別注意溫度的值。顏色可用來(lái)快速判斷冷熱區域，但是就溫度值而言，始終需要讀取細線(xiàn)的值。
圖8的技術(shù)短片是在1.8Vin和1.5V輸出(極低壓差開(kāi)關(guān)調節)以及非常高的15A負載電流情況下測試的。沒(méi)有線(xiàn)性穩壓器能在15A時(shí)提供低壓差。盡管計算所得效率為83%(=1.5/1.8V)，但是線(xiàn)性穩壓器在15A時(shí)會(huì )很容易消耗4.5W功率。LTM4611在0LFM時(shí)功率損耗僅為3.2W，熱點(diǎn)溫度僅為65oC，這是微不足道的。這些數字允許系統設計師搭建一個(gè)非常緊湊的電路，因為散熱限制最大限度地減少了。對于散熱器、風(fēng)扇和大的PCB銅面積的依賴(lài)有所降低。假如您還剩有45秒的時(shí)間，請觀(guān)看一下這部視頻短片。
結論
如果DC/DC穩壓器的效率很高或可接受，那么研究一下封裝熱阻吧。嘗試在不同的工作條件下理解產(chǎn)品的熱(溫度)性能。在DC/DC開(kāi)關(guān)穩壓器中，例如，視VIN與VOUT比值的不同，熱量和效率值是不同的。當然，也要考慮環(huán)境溫度和氣流。這么做的同時(shí)，還需意識到，當熱量管理成為關(guān)注點(diǎn)時(shí)，高效率轉換值可能產(chǎn)生誤導作用。一個(gè)明智的主意是，簡(jiǎn)單地計算功耗，以確定大致的節溫。研究一下制造商提供的大量的熱量數據，例如熱像和降額曲線(xiàn)。一款高品質(zhì)(尤其是采用了一種模塊化形式)的DC/DC穩壓器解決方案，應能憑借相關(guān)的數據、圖像、或許還包括視頻短片使您對其性能深信不疑。 |
