功率更大、尺寸更小的負(fù)載點DC/DC調(diào)節(jié)

每一代高端處理器、FPGA和ASIC都因更重的負(fù)載而增加了電源的負(fù)擔(dān)，但是系統(tǒng)設(shè)計師很少為了符合這種功率增大的情況而額外分配寶貴的系統(tǒng)電路板空間。由于廣泛需要更多專用和安裝在電路板上的電源，以向多個電壓軌提供POL（負(fù)載點）調(diào)節(jié)，所以這種對電源的擠壓就更嚴(yán)重了。個別電源軌必須越來越多地在低電壓（≤1V）下支持?jǐn)?shù)10A至超過100A的電流，因而要求大約1%的初始準(zhǔn)確度和出色的負(fù)載瞬態(tài)偏差（低于幾%）。因此挑戰(zhàn)是找到準(zhǔn)確和能在低電壓提供大的負(fù)載電流同時占用很少系統(tǒng)電路板空間的電源解決方案。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)一款功能合適的穩(wěn)壓器解決方案時，必須對其進(jìn)行功率損失和熱阻評估。倘若這兩項參數(shù)不能滿足系統(tǒng)的散熱要求（特別是當(dāng)系統(tǒng)必須在高環(huán)境溫度條件下運作時），就會導(dǎo)致一款原本不錯的穩(wěn)壓器解決方案大打折扣。顯然，轉(zhuǎn)換效率必須很高，以限制功率損耗，而且封裝設(shè)計必須具備很低的內(nèi)部熱阻以及很低的環(huán)境連接熱阻。隨著解決方案的縮小，穩(wěn)壓器和電路板之間的熱阻面積也減小了，這就使得保持電路板低溫度更加困難了，因為電源穩(wěn)壓器通常將大多數(shù)功率損耗傳導(dǎo)到系統(tǒng)電路板中，從而顯著提高了系統(tǒng)的內(nèi)部溫度。

真正的問題：熱量和冷卻成本

系統(tǒng)和熱設(shè)計工程師花費大量時間對這些復(fù)雜的電子系統(tǒng)進(jìn)行建模和評估，以設(shè)計能去除以熱量形式體現(xiàn)功率損耗的解決方案。一般用空氣流動和散熱器來去除這種不想要的熱量。真正的問題是，隨著系統(tǒng)內(nèi)部溫度的升高，新式處理器、FPGA和定制ASIC通常消耗顯著增大的功率。不幸的是，這需要電源穩(wěn)壓器提供更多功率，而且將增大內(nèi)部功率損耗，從而進(jìn)一步升高系統(tǒng)溫度。因此，消除功率損耗和熱量是非常重要，而且高密度電源解決方案必須限制功率損耗，并有效地消除熱量。但是，封裝極其緊湊的電源解決方案要么耗散過多的功率，要么無法有效地移除熱量，因此假如不實施大幅度的降額就不能在高溫環(huán)境中運作。需要一種適合的解決方案來幫助緩解這一實際問題。

毫不奇怪，為了使大功率設(shè)計的溫度保持在合理水平，注意冷卻方法是至關(guān)重要的。安裝風(fēng)扇、冷卻板、散熱器以及有時將系統(tǒng)浸沒到特殊液體中都是一些設(shè)計師被迫采用的方法的實例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過，如果一個大功率負(fù)載點穩(wěn)壓器能提供所需功率，同時能均勻和高效率地消散熱量，那么冷卻這部分電路的要求就會降低，從而能減少冷卻系統(tǒng)的尺寸、重量、維護(hù)工作和成本。

功率密度是誤導(dǎo)

談?wù)摳吖β拭芏菵C/DC穩(wěn)壓器是誤導(dǎo)的，因為它不涉及器件溫度問題。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計師決定選用一款可滿足系統(tǒng)對于DC/DC穩(wěn)壓器的電氣、物理和電源要求的產(chǎn)品時，應(yīng)當(dāng)教會他們從器件的產(chǎn)品手冊中尋覓到更多的相關(guān)信息。下面舉一個例子：如果一個2cm x 1cm的DC/DC穩(wěn)壓器向負(fù)載提供54W功率，它的功率密度額定值為27W/cm2.這一數(shù)字也許會給一些設(shè)計師留下深刻印象，并滿足他們的搜尋要求：想要的功率、想要的尺寸和想要的價格。不過，被忘記的是熱量最終會轉(zhuǎn)變成溫度上升。如欲獲取重要的相關(guān)信息，則需研究分析DC/DC穩(wěn)壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結(jié)點至外殼”、“結(jié)點至空氣”和“結(jié)點至PCB”熱阻數(shù)值。

繼續(xù)看上面的例子，該器件還有另一個吸引人的屬性。它以令人印象深刻的90%的效率工作。它消耗6W功率，同時提供54W輸出，所采用的封裝具備20℃/W結(jié)點至空氣的熱阻。6W乘以20℃/W,結(jié)果為在環(huán)境溫度之上升高120℃。當(dāng)在45℃的環(huán)境溫度時，這個似乎令人印象深刻的DC/DC穩(wěn)壓器封裝結(jié)溫的計算結(jié)果就是165℃。165℃不是一個令人感覺很好的值，原因有兩點：（a）它高于大多數(shù)硅IC大約為120℃的最高溫度；（b）它需要特別關(guān)注，以保持結(jié)溫在一個低于120℃的較安全值。

上述的簡單計算有時會被忽視了。一個看似滿足所有電氣和功率要求的DC/DC穩(wěn)壓器未能滿足系統(tǒng)的熱量指導(dǎo)原則，或者被證明由于在安全的溫度環(huán)境中工作需要采取額外措施，因此用起來太過昂貴。在首次參與評估電壓、電流和尺寸等屬性時，記著研究DC/DC穩(wěn)壓器的熱性能是很重要的。

本文將介紹一種新的高密度和可擴(kuò)展的LTM4620微型模塊（μModule）穩(wěn)壓器。內(nèi)容將包括電氣、機(jī)械/封裝和熱性能以及不同的可擴(kuò)展型電源設(shè)計。目標(biāo)是展示一種新的高密度、可擴(kuò)展的電源穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器具備卓越的電氣性能、低功率損耗和獨特的耐熱增強(qiáng)型封裝設(shè)計，可幫助克服高功率密度挑戰(zhàn)。

LTM4620雙通道13A或單通道26A μModule穩(wěn)壓器

圖1顯示了LTM4620 μModule穩(wěn)壓器的照片。LTM4620采用SIP（系統(tǒng)級封裝），是15mm x 15mm x 4.41mm LGA器件。它能在13A時提供兩個獨立輸出，或在26A時提供單個輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統(tǒng)，以實現(xiàn)卓越的熱量管理。

圖1:LTM4620封裝：15mm x 15mm x 4.41mm LGA

圖2顯示了LTM4620 μModule穩(wěn)壓器的方框圖。LTM4620由兩個高性能同步降壓型穩(wěn)壓器組成。輸入電壓范圍為4.5V至16V,輸出電壓范圍為0.6V至2.5V,而LTM4620A的輸出電壓范圍為0.6V至5.5V.LTM4620的電氣特性為±1.5%的總輸出準(zhǔn)確度、經(jīng)過全面測試的準(zhǔn)確均流、快速瞬態(tài)響應(yīng)、具備自定時和可編程相移的多相并聯(lián)工作、頻率同步以及準(zhǔn)確的遠(yuǎn)端采樣放大器。

保護(hù)功能包括反饋參考的輸出過壓保護(hù)、折返過流保護(hù)和內(nèi)部溫度二極管監(jiān)視。

圖2:LTM4620方框圖

INTERNAL COMP:內(nèi)部比較器

POWER CONTROL:電源控制

LTM4620獨特的封裝設(shè)計

圖3顯示了一個尚未模制的LTM4620之染色側(cè)視圖和頂視圖。封裝設(shè)計由熱傳導(dǎo)性很高的BT襯底和足夠的銅箔層組成，以提高電流承載能力并實現(xiàn)至系統(tǒng)電路板的低熱阻。一種專有引線框架功率MOSFET棧用來提供高功率密度、低互連電阻、以及給器件的頂部和底部提供很高的熱傳導(dǎo)性。專有散熱器設(shè)計連接到功率MOSFET棧和功率電感器上，以提供有效的頂部散熱?？梢栽陧敳康穆懵督饘倜嫔霞由弦粋€外部散熱器，以利用空氣流動去除熱量。由于該專有散熱器的構(gòu)造和模制封裝，僅有氣流而沒有散熱器就可去除頂部的熱量。

圖3:LTM4620的染色側(cè)視圖和尚未模制的LTM4620

Top Side Heat Sinking:頂部散熱

Bottom Side Heat Sinking:底部散熱

Power MOSFET Stack:功率MOSFET棧

Power Inductors:功率電感器

圖4顯示了LTM4620的熱像以及在26A設(shè)計時12V至1V的降額曲線。當(dāng)具有200LFM氣流時，溫升僅為35℃（在環(huán)境溫度以上），而且降額曲線顯示：一直到大約80℃時最大負(fù)載電流都無需降額。圖4顯示了熱量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了耐熱增強(qiáng)型高密度電源穩(wěn)壓器解決方案的真正優(yōu)點。獨特的封裝設(shè)計在小尺寸中盡可能減少功率損耗，并有效地去除了作為功率損耗函數(shù)的熱量。

圖4:LTM4620熱像及減額曲線

CURRENT:電流

AMBIENT TEMPERATURE:環(huán)境溫度

LTM4620的電氣性能

圖5顯示以雙輸出均流模式工作的LTM4620.這種配置提供密度非常高的1.5V/26A解決方案。RUN、TRACK、COMP、VFB、PGOOD和VOUT引腳連接在一起，以實現(xiàn)并聯(lián)工作。該設(shè)計顯示了一種利用一個LTC2997溫度傳感器監(jiān)視器監(jiān)視LTM4620內(nèi)部溫度二極管的方式。溫度采樣二極管可由很多不同的器件監(jiān)視，這些器件監(jiān)視一個連接二極管的晶體管。

圖5:LTM4620、兩相1.5V/26A并聯(lián)輸出

5V TO 16V INTERMEDIATE BUS:5V至16V中間總線

PULL-UP RESISTOR AND ZENER ARE OPTIONAL:上拉電阻器和齊納二極管是可選的

圖6顯示兩相并聯(lián)輸出、1.5V時的效率和兩通道均流性能。就如此高密度的解決方案而言，86%的效率是相當(dāng)好的，而且正如圖4的熱量數(shù)據(jù)所示，由于電路板安裝后的低θJA熱阻，溫度上升得到了良好控制。有效的頂部和底部散熱系統(tǒng)使LTM4620能以很少的溫度上升及滿功率工作。圖6顯示了VOUT1和VOUT2的均流性能。LTM4620的內(nèi)部控制器經(jīng)過了準(zhǔn)確微調(diào)和測試，以實現(xiàn)輸出均流。這使LTM4620成為高密度、可擴(kuò)展電源解決方案的卓越選擇。高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)電流模式架構(gòu)很好地滿足了高性能處理器、FPGA和定制ASIC所需的低壓內(nèi)核電源要求。

圖6:兩相、1.5V的效率和均流圖

EFFICIENCY:效率

OUTPUT CURRENT:輸出電流

Dual LTM4620 Single Output Current Sharing:雙LTM4620單輸出均流

TOTAL CURRENT:總電流

出色的輸出電壓初始準(zhǔn)確度和差分遠(yuǎn)端采樣在負(fù)載點提供適當(dāng)?shù)腄C電壓調(diào)節(jié)。獨特的熱量控制能力和卓越的均流允許將輸出電流能力擴(kuò)展至高達(dá)超過100A.為每個穩(wěn)壓器通道設(shè)定多相工作無需外部相移時鐘源。每個LTM4620具有一個“時鐘輸入”引腳和一個“時鐘輸出”引腳，以及用于對并聯(lián)通道進(jìn)行定時的內(nèi)部可編程相移功能?？梢赃x擇外部頻率同步或內(nèi)部內(nèi)置定時。這些定時功能進(jìn)一步實現(xiàn)了功率調(diào)整概念。

圖7顯示了8相、4個μModule穩(wěn)壓器100A設(shè)計圖片以及所有4個穩(wěn)壓器的均流圖。所有8個相位是定時相位，并連接到一起以實現(xiàn)可擴(kuò)展至100A的均流方案。正如圖7注釋所示，要支持100A的電源解決方案，實際的μModule穩(wěn)壓器占用的電路板空間大約為1.95平方英寸。這就為這類大電流提供了卓越的高密度電源解決方案。一個散熱器可以運用到所有4個模塊上，以通過空氣流動去除電源損耗。這可防止大量電源損耗消散到系統(tǒng)電路板中。

圖7:8相、4個μModule穩(wěn)壓器可擴(kuò)展至100A的設(shè)計

SINGLE uModule OUTPUT CURRENT:單個μModule輸出電流

100A Four uModules in Parallel Current Sharing:4個μModule并聯(lián)均流100A

TOTAL CURRENT:總電流

性能證明

為了驗證LTM4620的性能，我們提供了4段視頻短片，以顯示設(shè)定和測量方法。這些視頻短片涵蓋的主題包括：短路保護(hù)、在26A和100A時的熱量表現(xiàn)和溫度上升、散熱器連接以及在啟動、穩(wěn)定狀態(tài)和停機(jī)時的精確均流。如需觀看這些視頻，請訪問：http://video.linear.com.cn/p4634-126.

結(jié)論

LTM4620 μModule穩(wěn)壓器為高密度電源解決方案提供了一種新概念。這款高性能穩(wěn)壓器裝在一個進(jìn)行了卓越的熱設(shè)計的封裝中，使大功率設(shè)計能在非常小的外形尺寸內(nèi)實現(xiàn)。具備準(zhǔn)確均流的多相定時功能實現(xiàn)了25A、50A和超過100A的可擴(kuò)展設(shè)計。LTM4620獨特的熱特性在環(huán)境溫度逐漸上升時，允許全功率工作。在實現(xiàn)大電流設(shè)計的同時，還可以將功率損耗和溫度控制在可接受的水平。