大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器的引腳設計

隨著電子系統(tǒng)中數(shù)字電路的電源電壓降至1.0 - 1.5V范圍內(nèi)，以及負載板上的功耗上升，DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊需要提供非常大的輸出電流。轉(zhuǎn)換器制造商日漸迎合業(yè)界對更大功率和更小封裝的需求。例如，5年前，一個半磚轉(zhuǎn)換器最多只能提供30A的電流，而現(xiàn)在半磚轉(zhuǎn)換器最高可提供100A電流。同樣在5年前，四分之一磚轉(zhuǎn)換器僅提供15A，而現(xiàn)在可提供60A電流。雖然這對正在尋求更大功率密度的中國通信系統(tǒng)設計工程師來說是個好消息，但是同時也引發(fā)了如何解決由于更大的電流帶來設備溫度升高的問題。要處理如此大的電流，輸出功率的引腳數(shù)需要翻番。

圖 1，穿過V+ 功率平面的電壓情況，轉(zhuǎn)換器每個引出端有兩個引腳并排。(圖中未顯示名義DC電壓)

圖2，穿過V+功率平面的電壓情況，轉(zhuǎn)換器每個引出端具有兩個引腳，放置在轉(zhuǎn)換器的兩側(cè)。(圖中未顯示名義DC轉(zhuǎn)換器)

現(xiàn)在，DC/DC磚轉(zhuǎn)換器的制造商和用戶中已經(jīng)達成了一個共識：即需要增加附加功率引腳以在轉(zhuǎn)換器模塊和負載板之間更平均地傳輸和分散熱量。但是問題依舊是：這些附加的引腳應該放置在哪里呢?在理想情況下，所挑選的位置應該對用戶最有利，并可提供優(yōu)良的性能。此

外，附加引腳的放置位置應該符合轉(zhuǎn)換器行業(yè)的標準，以免發(fā)生混亂，并可避免獨家供貨，方便用戶選擇。然而，事與愿違的是，一些DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商推出的一些產(chǎn)品，其附加引腳的放置位置并不兼容，在行業(yè)內(nèi)對大電流轉(zhuǎn)換器的標準引腳設計也缺乏共識。因此，系統(tǒng)設計師需要自己決定哪種引腳位置將成為新的標準。如果這個情況不改變，設備制造商將不得不獨家提供他們的大電流模塊，或者接收價格高昂的重新設計?，F(xiàn)在是對這個技術問題進行徹底調(diào)查，并研究出一個針對大電流數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器新標準引腳設計解決方案的時候了。本文的目的就是為中國設計師提供有關解決這個問題的一些技術參考。

首先，應認識到：需要將功率引腳數(shù)量增加一倍并不是因為引腳的電阻。一個直徑為80mil的銅引腳電阻約為20到。當這個引腳承載 100A的電流時，它的功率耗損僅為0.2W。由于這個 100A 從V+ 引腳流出來，并流回返回端(或地)引腳，共損耗了0.4W。通過將功率引腳增加一倍，可以降低至　　0.2W。換句話說，效率為 83% 的 1.2Vout、100A 轉(zhuǎn)換器的損耗約為25W。因此，由于引腳電阻的原因，將功率引腳增加一倍所減少的損耗還不及總損耗的1%。

圖 3，大電流半磚引腳設計，同一引出端引腳并排相鄰放置。[!--empirenews.page--]

圖4，SynQor的大電流半轉(zhuǎn)引腳設計，同一引出端引腳分布于轉(zhuǎn)換器兩側(cè)。

將功率引腳數(shù)量增加一倍的首要原因是當輸出電流從負載板的功率平面上的引腳向外傳輸時，降低負載板出現(xiàn)的損耗。SynQor 公司廣泛地研究了這個問題，通過理論分析和嚴密控制的實驗室測試，已經(jīng)開發(fā)出有助于為大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器附加引腳確定理想位置的模型。為了更好地理解上述分析：設想一個12英寸見方的標準負載板。假設這塊板周圍有4個均勻分布的負載，每個吸取25A的電流，同時設想一個100A的半磚轉(zhuǎn)換器就貼裝在這塊板的一邊。進一步假設，連接轉(zhuǎn)換器和這些負載的功率平面是由1盎司的銅制成，每平方的電阻為1mΩ(考慮到很多阻斷它的通孔)。

我們先來看看每個引出端僅使用一個輸出引腳從半磚轉(zhuǎn)換器吸取100A電流的情況。然后，將其結果與每個引出端采用雙倍的輸出引腳的兩種方法進行比較。

當轉(zhuǎn)換器的每個端僅有一個功率引腳時，我們可以非常輕松而且精確地計算出功率平面的電壓情況。在SynQor進行的仿真中，觀察到距離引腳大約6英寸處有80 mV 壓降。出現(xiàn)如此大的壓降是因為在充分利用功率平面整個寬度之前，電流必須從一個小點(引腳)發(fā)散出去。這個“發(fā)散”區(qū)域的阻抗是很大的。100A的情況下， 80 mV 損耗8W。如果考慮到電流返回到轉(zhuǎn)換器的返回引腳時引起的損耗，這個數(shù)字就會翻一番。16W的損耗和160mV的電壓降(1.2V的13.3%)都太大，從而再次說明對大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器我們需要將輸出引腳數(shù)增加一倍。

考慮圖1中轉(zhuǎn)換器的電壓曲線：在該方案中，V+端增加了第二個功率引腳，測試圖形中，在該引腳上名義DC電壓(如1.2V)從刻度比例上被取消了，從而使我們能夠完全關注從引腳到負載的電壓降。圖1的刻度比例同樣也使我們不能把第二個引腳從第一個中分離出來。注意，該仿真包括引腳周圍的散熱，盡管它們在這個圖表中不能很好地表現(xiàn)出來。對這個轉(zhuǎn)換器來說，附加輸出引腳的放置地點是原始引腳0.2英寸以內(nèi)的地方(對齊)。這種引腳設計(詳見圖3)已經(jīng)被一些主要的DC/DC轉(zhuǎn)換器廠家采用。相鄰的引腳位置可能對轉(zhuǎn)換器的布局很方便，但它對解決用戶的問題卻幫助不大。距離轉(zhuǎn)換器6英寸的電壓降大約是70mV，比僅采用一個引腳時少 10mV。整體功率節(jié)約為2W，功率損耗

為16W。

通過測試電流如何從引腳發(fā)散可以找出該改善的原因。正如圖中仿真所示，電流充分擴散以利用功率平面的寬度，必須經(jīng)過幾英寸的距離。但是由于兩個引腳的放置位置僅相隔0.2英寸，它們的電流迅速地迭合在一起，就像只有一個引腳一樣。因此，擁有兩個引腳的作用被限制在引腳附近，而引腳附近的地方僅僅是整個擴散電阻的一小部分。

然而，讓我們來看看附加的引腳放置在半磚轉(zhuǎn)換器的另一側(cè)時的情況。圖4說明SynQor大電流半磚引腳的設置，其中附加引腳放置在相反極性引腳外部0.2英寸的地方對齊。隨著電極的反轉(zhuǎn)，每對電源引腳的距離為1.6英寸。正如圖2的電壓情況顯示，在離轉(zhuǎn)換器6英寸的地方的電壓降比僅采用一個引腳低約 40 mV。這種情況下，整體功率節(jié)約為8W，功率損耗為16W。圖1和圖2的區(qū)別很明顯，因為在第一個引腳設計中，這兩個輸出引腳在從表面上看是不可區(qū)分的，而 在第二個設計中，它們之間明顯地隔開了。

第二個設計最重大的改進就是因為兩個引腳之間的距離是1.6 英寸，而不是0.2英寸。這樣一來，從每一個引腳的電流在與另一個電流迭合之前就基本完成擴散。由于有兩個平行的通道，有效的擴散電阻幾乎被分割

成兩半。很顯然，從用戶的角度說，圖4中附加引腳的位置比圖3中的位置要好。

除了上述說明的優(yōu)勢之外，SynQor的設計極大地降低了在客戶的負載板上的電阻擴散，使連接的寄生電感能夠降低90%。這個提高使模塊具有更好的瞬態(tài)反應，降低輸出紋波，改善均流能力。

進一步說，圖4的附加引腳的放置位置不僅能夠降低負載板的功率損耗。轉(zhuǎn)換器的一些熱量也能夠沿著引腳傳下來，發(fā)散到負載板上。這條通路上可以有多少熱量經(jīng)過取決于負載板由于其他散熱源的原因，溫度有多高。在我們半磚的例子中，我們看見功率平面內(nèi)的功率損耗通過選擇更好的引腳地點，降低至8W。這個降低使轉(zhuǎn)換器區(qū)域中的負載板溫度更低，從而使更多的熱量能夠從轉(zhuǎn)換器流向引腳。這樣能夠降低轉(zhuǎn)換器的溫度，并增加轉(zhuǎn)換器的可靠性。

由于不同的制造商有各自不同的引腳方式，有人可能會認為設計時不同的引腳方式間兼容設計是不可能的。但有趣的是，只需要很小的改進，不同的引腳設計可以彼此相互兼容替代，只需在負載板上多挖一些孔即可。然而，問題并不僅僅是非獨家供貨問題，而是性能。采用相反極性引腳的設計帶來更低的電壓降、電感和功率損耗，極大地提高了性能。如果采用相反的極性引腳組，其他的轉(zhuǎn)換器能夠達到相似的性能提升，盡管它們將附加引腳放在目前的地方。這就是為什么行業(yè)標準的選擇必須非常明智，不僅僅要考慮引腳的位置，同時還有考慮引腳極性和導致的性能變化。

大電流四分之一磚轉(zhuǎn)換器上安裝附加引腳的位置也有同樣的問題。例如， SynQor公司在其60A四分之一磚的產(chǎn)品上在原有引腳外部0.15英寸處放置附加的引腳。更重要的是，與半磚布局一樣，該設計將極性相反的終端并排放在一起。盡管對這個更小的轉(zhuǎn)換器來說，給定的終端兩個引腳之間的距離現(xiàn)在僅為0.75英寸，而不是1.6英寸，這個設計比給定終端兩個引腳之間距離僅為0.15英寸的設計更加優(yōu)越。

這個分析說明，大電流轉(zhuǎn)換器的引腳設計不應該忽視，而應該引起重視。性能的結果很真實，而且設計工程師還不確定行業(yè)標準將是什么。現(xiàn)在是為大電流轉(zhuǎn)換器磚引腳確定一個明智的標準的時候了。當越來越多的四分之一磚轉(zhuǎn)換器超過60A、也需要雙倍的引腳設計時，這個要求會更加迫切。增加一倍的相反極性設置，并使引腳之間的距離最大化，能夠為四分之一磚提供與二分之一磚同樣的技術和商業(yè)優(yōu)勢。然而一些DC/DC轉(zhuǎn)換器還維持雙正、雙負的配置。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器沒有相關的標準化機構，針對大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器引腳標準化的任何決定都將由市場決定。換句話說，每個人都可能按照市場領導者的方式而行動。如果是這樣的，讓我們希望OEM和ODM廠商能夠明智地選擇。