為什么 DC/DC 穩(wěn)壓器的效率指標(biāo)會造成假象?
注：本文包括一個鏈接，連接至一個熱量測量的視頻說明。
很多人認(rèn)為，DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換效率是最后一項需要測量的性能。效率數(shù)字就是所測得的值，列在數(shù)據(jù)表中，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計師試圖從幾家廠商中選出一個解決方案時，會針對一系列電壓和電流畫出效率曲線，并進(jìn)行比較。為了實現(xiàn)高效率 (這個詞具有相對含義，不過我們假定一下，所謂高效率，即效率數(shù)字高于 85%)，模擬芯片設(shè)計師和模擬應(yīng)用工程師會非常仔細(xì)地嘗試書中列出的每一種巧妙的方法，例如調(diào)節(jié)電源開關(guān)的開關(guān)頻率、改變其柵極驅(qū)動的大小等。令人意外的是，僅靠芯片或 IC 并不能保證一個電路實現(xiàn)最高效率。外部組件的選擇確實對一個 IC 有極大的影響，可能令一個十分出色的 IC 表現(xiàn)平平。在設(shè)計一個高效率 DC/DC 開關(guān)負(fù)載點穩(wěn)壓器時，電感器、電容器和 PCB 布局的選擇以及系統(tǒng)設(shè)計師的技能都是至關(guān)重要的因素。不過，有了“高效率”數(shù)字，熱量管理的事情依然沒有結(jié)束。
單單根據(jù)其轉(zhuǎn)換效率來判定負(fù)載點 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱性能就類似于依照發(fā)動機(jī)尺寸來推測汽車的速度。用 12 汽缸的蘭博基尼發(fā)動機(jī)驅(qū)動一輛自卸貨車或許會讓人對其速度產(chǎn)生虛夸的想象，然而空氣動力定律則徹底剝奪了這樣一部貨車參加一級方程式賽車比賽的可能性。類似地，一個效率為 90%、熱量為 3.5W 的 DC/DC 降壓型穩(wěn)壓器，如果采用一個非常吸引和具 22ºC/W j-a 熱阻的纖巧封裝，那么造成的熱量管理挑戰(zhàn)會使這個 DC/DC 穩(wěn)壓器幾乎變得不現(xiàn)實，而且常常使其過于昂貴而無法使用：在環(huán)境溫度為 40ºC 時，3.5W X 22ºC/W 產(chǎn)生約為 117ºC 的節(jié)溫。當(dāng)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(bǔ)救方法增加了設(shè)計的復(fù)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(zhàn)斗一直在不斷加劇。數(shù)字設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)換器的性能。除了諸如穩(wěn)壓準(zhǔn)確度或瞬態(tài)響應(yīng)等電性能之外，熱性能在選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器的過程中已經(jīng)成為一項越來越關(guān)鍵的因素。
可擴(kuò)展和模塊化的 DC/DC 穩(wěn)壓器解決方案
這個 72W 的解決方案 (參見圖 1) 依靠 4 個微型模塊 (µModule®) 穩(wěn)壓器的準(zhǔn)確均流和低熱阻值，在一個緊湊的表面積上均勻地散出熱量以防止熱點。每個 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器都是一個完整的電源，具電感器、MOSFET 和 DC/DC 控制器電路，裝在一個外形尺寸類似 IC 的封裝中。每個穩(wěn)壓器都能從 4.5V 至 20V 的寬輸入范圍提供 12A (或如果并聯(lián)會更大)，從而成為通用和可擴(kuò)展的解決方案。并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計涉及的不僅是每個電路布局的復(fù)制和粘帖。該微型模塊穩(wěn)壓器僅占用 15mm x 15mm 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/W j-a 的熱阻。這么扁平的封裝允許空氣在整個電路上方順暢地流動，從而去除了電路產(chǎn)生的熱量 (參見圖 2 至圖 5)。這個解決方案對其周圍的組件幾乎沒有熱遮蔽，從而有助于進(jìn)一步優(yōu)化整個系統(tǒng)的熱性能。
圖 1：4 個 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系統(tǒng)均流，以在 48A 時提供穩(wěn)定的 1.5V 電壓，每個微型模塊穩(wěn)壓器的高度僅為 2.8mm，占用 15mm x 15mm 電路板面積。每個微型模塊僅重 1.7g，并采用類似 IC 的外形尺寸，在電路板組裝時，可非常容易地用任何抓放型機(jī)器來取放。
突破效率范疇來考慮問題
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(shù)以及空氣流動的方向和速度。光標(biāo) 1 至 4 顯示對每個模塊表面溫度的估計。光標(biāo) 5 至 7 指示 PCB 的表面溫度。請注意，靠里面的兩個穩(wěn)壓器 (光標(biāo) 1 和 2) 和靠外面的兩個穩(wěn)壓器 (光標(biāo) 3 和 4) 之間的溫度差。放置在外側(cè)的微型模塊穩(wěn)壓器左面和右面有較大的平面，有助于散熱，從而使外側(cè)的微型模塊穩(wěn)壓器的溫度低幾度。里側(cè)的兩個微型模塊穩(wěn)壓器僅有較小的頂部和底部平面散發(fā)熱量，因此比外側(cè)的兩個溫度稍高一些。
氣流對系統(tǒng)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，200 LFM 的氣流均勻地從演示版的底部流向頂部，與圖 2 中無空氣流動的情況相比，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，將熱量從一個微型模塊穩(wěn)壓器推送到下一個，引起堆疊效應(yīng)。右邊的微型模塊穩(wěn)壓器最靠近氣流來源，是溫度最低的。由于從其他 LTM4601 微型模塊穩(wěn)壓器漫出的熱量，最左邊的微型模塊穩(wěn)壓器溫度略高。圖 5 顯示了熱量從一個微型模塊器件堆疊到另一個的極端情況。4 個微型模塊穩(wěn)壓器中的每一個都配備了一個 BGA 散熱器，整個電路板在一個容器內(nèi)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/DC µModule 之間實現(xiàn)了
平衡的功率均分以及低的溫升，即使沒有氣流也不例外 (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(dāng)采用 BGA 散熱器時，4 個并聯(lián) LTM4601 的熱像 (12VIN 至 1.0VOUT/40A)
你的系統(tǒng)有多環(huán)保?
這里是另一個需要高達(dá) 15A 的大負(fù)載電流的 3.3Vin 系統(tǒng)的例子。LTM4611 采用耐熱增強(qiáng)型 LGA (焊盤網(wǎng)格陣列) 封裝，以小的焊盤格局 (僅為 15mm x 15mm) 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 的功率損耗曲線也相對平坦，這使 LTM4611 在后續(xù)產(chǎn)品中的熱設(shè)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也一樣。
面對應(yīng)用數(shù)量的日益增加，降低輕負(fù)載時的功耗與降低重負(fù)載時的功耗相比，如果不是更重要，起碼也是一樣重要。只要可能而且無論何時只要現(xiàn)實 (就節(jié)能而言)，數(shù)字設(shè)備就被有意設(shè)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 (滿負(fù)載)，這種情況越來越普遍。圖 6 顯示，在較輕負(fù)載電流 (<3A) 時以 PSM 和突發(fā)模式工作，效率上可獲得的好處。
圖 6：超低 VIN 15A DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器 LTM4611 的效率
耐熱增強(qiáng)型封裝
該器件的 LGA 封裝允許同時從頂部和底部散熱，從而為使用金屬底盤或 BGA 散熱器提供了方便。這種外形在有或沒有氣流時，都有助于實現(xiàn)卓越的散熱。圖 7 顯示了 LTM4611 頂部的紅外 (IR) 熱像，在實驗臺上進(jìn)行測試且沒有氣流時，顯示功率損耗為 3.5W，并將 5V 輸入轉(zhuǎn)換為 1.5V/15A 輸出。最熱的表面溫度約為 65°C。
圖 7：LTM4611 穩(wěn)壓器從 5Vin 至 1.5V/15A 輸出的頂部熱像。功耗為 3.5W。
在實驗臺上進(jìn)行且沒有氣流時的測試結(jié)果，表面溫度熱點為 65°C。
與圖 7 對比，圖 8 顯示了另一個 LTM4611 頂部的 IR 熱像，在實驗臺上進(jìn)行測試且沒有氣流時，顯示功率損耗僅為 3.2W，并將 1.8V 輸入轉(zhuǎn)換為 1.5V/15A 輸出。熱點位置 (而不是熱點大小) 與用 5V 輸入工作時看到的位置略有變化。
圖 8：1.8VIN、1.5VOUT/15A 輸出負(fù)載、3.2W 功率損耗、氣流為 0LFM、
表面溫度為 65ºC時的技術(shù) 視頻 (URL：http://video.linear.com.cn/55)
熱性能的技術(shù)短片 (Tech Clip)
對于許多 DC/DC µModule 穩(wěn)壓器而言，為了證明其熱性能，除了提供效率指標(biāo)和輸出功率降額曲線之外，簡捷明快的 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(jī)來記錄 LTM4611 操作期間其表面溫度隨著發(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(biāo)注為 1 和 2)。測量的環(huán)境溫度為 31.5ºC。
藍(lán)色代表最低溫度，黃色指示較熱的區(qū)域。請注意，當(dāng)觀察顏色以確定溫度時，色譜 (藍(lán)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(yīng)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。顏色可用來快速判斷冷熱區(qū)域，但是就溫度值而言，始終需要讀取細(xì)線的值。
圖 8 的技術(shù)短片是在 1.8Vin 和 1.5V 輸出 (極低壓差開關(guān)調(diào)節(jié)) 以及非常高的 15A 負(fù)載電流情況下測試的。沒有線性穩(wěn)壓器能在 15A 時提供低壓差。盡管計算所得效率為 83% (= 1.5/1.8V)，但是線性穩(wěn)壓器在 15A 時會很容易消耗 4.5W 功率。LTM4611 在 0LFM 時功率損耗僅為 3.2W，熱點溫度僅為 65ºC，這是微不足道的。這些數(shù)字允許系統(tǒng)設(shè)計師搭建一個非常緊湊的電路，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 銅面積的依賴有所降低。假如您還剩有 45 秒的時間，請觀看一下這部視頻短片。
結(jié)論
如果 DC/DC 穩(wěn)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 開關(guān)穩(wěn)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(dāng)然，也要考慮環(huán)境溫度和氣流。這么做的同時，還需意識到，當(dāng)熱量管理成為關(guān)注點時，高效率轉(zhuǎn)換值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。一個明智的主意是，簡單地計算功耗，以確定大致的節(jié)溫。研究一下制造商提供的大量的熱量數(shù)據(jù)，例如熱像和降額曲線。一款高品質(zhì) (尤其是采用了一種模塊化形式) 的DC/DC 穩(wěn)壓器解決方案，應(yīng)能憑借相關(guān)的數(shù)據(jù)、圖像、或許還包括視頻短片使您對其性能深信不疑。
表面溫度 (URL：http://video.linear.com.cn/55) 。
下載文檔
