高性能高密度DC/DC電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引言

高性能電源設(shè)計(jì)繼續(xù)要求在日漸縮小的板上空間中提供更高的功率。更高的電源密度對(duì)電源設(shè)計(jì)師提出了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)必須具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以限制功耗和電源中的溫升。由于DC/DC電源轉(zhuǎn)換的損耗和有限的氣流，使得散熱空間非常狹小，因此熱性能的設(shè)計(jì)尤其重要。在限制用以減小電源設(shè)計(jì)整體尺寸的外置電容時(shí)，這些電源必須具有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。電源設(shè)計(jì)師被迫在設(shè)計(jì)一個(gè)分立式電源轉(zhuǎn)換器和購(gòu)買一個(gè)傳統(tǒng)的電源模塊解決方案之間進(jìn)行選擇。分立式電源設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的電源模塊都是用分立元件在印刷電路板上制作的。關(guān)鍵是提供一個(gè)完全集成電路的易于使用的緊湊型電源設(shè)計(jì)方案，凌特公司的LTM4600微型模塊電源為對(duì)空間要求嚴(yán)格的電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)解決方案。這種高性能負(fù)載點(diǎn)（POL）微型模塊可以在不犧牲溫度或電特性的情況下，解決空間狹小的問(wèn)題。我們就緊湊型（POL）穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)難題把本解決方案與分立式功率轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)的電源模塊做一番比較。

如何為電源設(shè)計(jì)分配空間

這個(gè)大功率（POL）穩(wěn)壓器是針對(duì)空間要求嚴(yán)格的電源設(shè)計(jì)的一個(gè)好例子。在大型系統(tǒng)板上，電源通常緊挨著微處理器、FPGA或ASIC，以提供必要的電源。大型數(shù)字器件可能需要幾安培至高于100安培的電流范圍。一個(gè)大型系統(tǒng)板通常需要幾個(gè)這樣的負(fù)載點(diǎn)電源，因此，為每一個(gè)電源設(shè)計(jì)分配一定的空間就成了問(wèn)題。另外，系統(tǒng)板的背面通常對(duì)高度有限制，一般不適合電源設(shè)計(jì)利用。分立式電源轉(zhuǎn)換器通常為了實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)而利用系統(tǒng)板的兩側(cè)，因?yàn)槠浔旧淼母叨葐?wèn)題，傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)則只能限制在系統(tǒng)板的上面。傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)一般都在戰(zhàn)略上考慮放在系統(tǒng)板上，以避免阻擋其它集成電路所需的氣流。由于在考慮電源穩(wěn)壓器位置時(shí)會(huì)先考慮負(fù)載的位置，因此這常常會(huì)導(dǎo)致性能下降。LTM4600微型模塊可以安裝在非常靠近負(fù)載點(diǎn)的系統(tǒng)板表面或背面。

圖1顯示了雙面分立POL設(shè)計(jì)和集成電路模塊POL設(shè)計(jì)之間的差別。分立設(shè)計(jì)具有靈活性，可以單獨(dú)安裝在系統(tǒng)板上或作為一個(gè)傳統(tǒng)電源模塊提供給用戶，但它比集成電路模塊設(shè)計(jì)需要更大的PCB空間。分立設(shè)計(jì)在系統(tǒng)板的表面或背面不能有效地利用板上空間。分立設(shè)計(jì)還需要很多組件和謹(jǐn)慎的板布局，因此需要仔細(xì)地挑選和采購(gòu)元件，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間和技術(shù)也有一定的要求。傳統(tǒng)電源模塊具有與分立設(shè)計(jì)同樣的缺點(diǎn)。其差別在于，傳統(tǒng)電源模塊是在一個(gè)小型的印刷電路板上放置分立元件。這樣的器件被認(rèn)為很容易采購(gòu)和使用，但是卻需要解決散熱和重要的氣流問(wèn)題。相反，集成電路模塊方法則十分容易，而且需要的外置元件特別少。這樣的元器件可以像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集成電路那樣安裝或焊接在PC板上。此外，由于占板面積小并具有優(yōu)越的熱性能，該集成電路模塊設(shè)計(jì)還可以非常簡(jiǎn)便地復(fù)制和安裝在多電源通道應(yīng)用中。

不管是哪種設(shè)計(jì)方式都必須保證高效以限制功耗。圖2為通常情況下一個(gè)12V~3.3V設(shè)計(jì)中的效率曲線。要注意為什么輸出電流的范圍效率大多是在90%以上。大部分高性能POL穩(wěn)壓器通常都是這樣，但是在效率和尺寸之間需要進(jìn)行平衡。負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的電源轉(zhuǎn)換效率通常與尺寸成正比，并與開(kāi)關(guān)頻率成反比。例如，使用較小的電感器、較少的電容、較低的功率MOSFET、較少的PCB銅布線的更小電源設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致更大的功耗和更低的效率，因?yàn)檫@些小體積的元件熱阻較高。較高的開(kāi)關(guān)頻率可減小設(shè)計(jì)中電感器和電容器的體積和數(shù)值，而不需大電阻，但是功率MOSFET會(huì)因?yàn)檫@些器件的寄生電容，在更高的開(kāi)關(guān)頻率情況下導(dǎo)致更大的損耗。電源設(shè)計(jì)師必須進(jìn)行多方面的計(jì)算，對(duì)各種分立轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)作出比較和選擇，通常需要在開(kāi)關(guān)頻率、效率和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。

優(yōu)化封裝技術(shù)

利用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，集成電路設(shè)計(jì)師在降低寄生電容和電感方面取得了進(jìn)展。該封裝技術(shù)與領(lǐng)先的電源控制、功率MOSFET和電感器技術(shù)的組合，可以提供非常密集的電源設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，也可以實(shí)現(xiàn)高得多的開(kāi)關(guān)頻率，而不會(huì)產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致效率降低的寄生性問(wèn)題。更高的頻率運(yùn)行使得在給定的電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)情況下可使用少得多的外置電容。圖3是一個(gè)簡(jiǎn)化了的負(fù)載點(diǎn)模塊電路圖。一個(gè)先進(jìn)的電源控制架構(gòu)，加上優(yōu)化的電源通道和封裝，可以為空間要求嚴(yán)格的POL設(shè)計(jì)提供優(yōu)秀的解決方案。電源控制架構(gòu)需要具有高頻開(kāi)關(guān)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、均流、精確穩(wěn)壓和快速控制環(huán)路能力，以在負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)維持輸出穩(wěn)壓。沒(méi)有這些改進(jìn)的分立電源穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的電源模塊則在性能和尺寸上有一定的限制。LTM4600微型模塊，在一個(gè)完整、集成的電源解決方案中融入了所有這些先進(jìn)技術(shù)。

負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的大功率密度代表了大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的溫度挑戰(zhàn)。真正的問(wèn)題是，要從系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)壓器中將熱量導(dǎo)出來(lái)，而這些系統(tǒng)需要在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作，溫度通?？蛇_(dá)50℃以上。圖4和圖5顯示了33W分立或傳統(tǒng)模塊負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器兩面的熱圖像。圖4顯示了安裝在20℃溫度的板表面電感器溫度與板溫度的對(duì)比情況。電感器不能很好地將熱量帶到板上，因此電感器的熱阻（qJA）不是最理想的。圖5顯示了兩個(gè)安裝在板背面的功率MOSFET熱圖像。兩個(gè)功率器件的溫度都將近100℃，比板溫度高40℃。該功率MOSFET的8個(gè)外部引線是比較差的熱導(dǎo)體，表示一個(gè)高的熱阻。由于氣流有限，這對(duì)板的背面來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常嚴(yán)重的熱問(wèn)題。由于元件之間的高度參差不齊，分立設(shè)計(jì)的散熱比較困難。由于一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊有著與分立轉(zhuǎn)換器相似的結(jié)構(gòu)，因此也有同樣的缺點(diǎn)。這些模塊采用熱阻相對(duì)較低的分立元件和標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板材料，參差不齊的元件高度同樣使散熱困難。一個(gè)理想的電源模塊需要針對(duì)器件正面和背面進(jìn)行優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)。

圖6顯示了與分立設(shè)計(jì)一樣在33W情況下的LTM4600微型模塊熱圖像。其功耗與分立設(shè)計(jì)很類似，但占板面積更小。該微型模塊優(yōu)化的熱封裝可以得到一致的溫升。功率元件安裝在微型模塊內(nèi)部經(jīng)過(guò)優(yōu)化的底板上，并具非常低的熱阻。微型模塊的引腳也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，不僅有利于供電，而且也可以保證低熱阻。

正面塑封材料也具有低熱阻和溫度一致性。在33W的應(yīng)用中，該微型模塊的溫度比板的溫度僅高13℃。如果在LTM4600頂部安裝一個(gè)小型BGA散熱器，器件的溫度會(huì)大大降低。穿過(guò)該散熱器的氣流可進(jìn)一步降低溫升，從而使微型模塊在周圍環(huán)境溫度更高的情況下也能夠全功率運(yùn)行。由于其扁平的尺寸和優(yōu)越的熱性能，LTM4600微型模塊可以安裝在板的背面，并選擇安裝散熱器在機(jī)箱上或者帶有散熱焊盤的板載體。

LTM4600對(duì)空間要求嚴(yán)格的電源設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該微型模塊是一款獨(dú)特的功率器件，它將高性能電源所需的所有元件集成在一個(gè)非常小的體積內(nèi)。該微型模塊可以像其它任何表面貼裝的集成電路一樣進(jìn)行焊接，僅需要非常少的外部元件。該微型模塊采用15mm×15mm×2.8mmLGA封裝，可使功率提升到40W，效率高達(dá)94%。兩個(gè)微型模塊甚至可以并聯(lián)在一起，使輸出功率加倍?，F(xiàn)在市場(chǎng)上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，LTM4600的易用性將能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

總體說(shuō)來(lái)，大功率密度的設(shè)計(jì)難點(diǎn)可以通過(guò)創(chuàng)新的集成電路和封裝技術(shù)得到有效的解決。LTM4600微型模塊集合了這些創(chuàng)新技術(shù)，可以解決大功率密度設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。模塊化的趨勢(shì)將繼續(xù)流行，因?yàn)樗诮鉀Q先進(jìn)電源設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的空間和熱量問(wèn)題方面非常有效。

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