為什么 DC/DC 穩(wěn)壓器的效率指標(biāo)會(huì)造成假象?

　　很多人認(rèn)為，DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換效率是最后一項(xiàng)需要測(cè)量的性能。效率數(shù)字就是所測(cè)得的值，列在數(shù)據(jù)表中，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師試圖從幾家廠商中選出一個(gè)解決方案時(shí)，會(huì)針對(duì)一系列電壓和電流畫(huà)出效率曲線，并進(jìn)行比較。為了實(shí)現(xiàn)高效率 (這個(gè)詞具有相對(duì)含義，不過(guò)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(jì)師和模擬應(yīng)用工程師會(huì)非常仔細(xì)地嘗試書(shū)中列出的每一種巧妙的方法，例如調(diào)節(jié)電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率、改變其柵極驅(qū)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(xiàn)最高效率。外部組件的選擇確實(shí)對(duì)一個(gè) IC 有極大的影響，可能令一個(gè)十分出色的 IC 表現(xiàn)平平。在設(shè)計(jì)一個(gè)高效率 DC/DC 開(kāi)關(guān)負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器時(shí)，電感器、電容器和 PCB 布局的選擇以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的技能都是至關(guān)重要的因素。不過(guò)，有了“高效率”數(shù)字，熱量管理的事情依然沒(méi)有結(jié)束。

　　單單根據(jù)其轉(zhuǎn)換效率來(lái)判定負(fù)載點(diǎn) DC/DC 穩(wěn)壓器的熱性能就類似于依照發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸來(lái)推測(cè)汽車的速度。用 12 汽缸的蘭博基尼發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一輛自卸貨車或許會(huì)讓人對(duì)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參加一級(jí)方程式賽車比賽的可能性。類似地，一個(gè)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(gè)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(huì)使這個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器幾乎變得不現(xiàn)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)，3.5W 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(jì)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(duì)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(chǔ)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(guò)程中已經(jīng)成為一項(xiàng)越來(lái)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(gè) 72W 的解決方案 (參見(jiàn)圖 1) 依靠 4 個(gè)微型模塊 (µModule®) 穩(wěn)壓器的準(zhǔn)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(wěn)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)外形尺寸類似 IC 的封裝中。每個(gè)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(huì)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(jì)涉及的不僅是每個(gè)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(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(duì)其周圍的組件幾乎沒(méi)有熱遮蔽，從而有助于進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的熱性能。

　　圖 1：4 個(gè) DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系統(tǒng)均流，以在 48A 時(shí)提供穩(wěn)定的 1.5V 電壓，每個(gè)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(gè)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(shí)，可非常容易地用任何抓放型機(jī)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(shù)以及空氣流動(dòng)的方向和速度。光標(biāo) 1 至 4 顯示對(duì)每個(gè)模塊表面溫度的估計(jì)。光標(biāo) 5 至 7 指示 PCB 的表面溫度。請(qǐng)注意，靠里面的兩個(gè)穩(wěn)壓器 (光標(biāo) 1 和 2) 和靠外面的兩個(gè)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(gè)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(gè)溫度稍高一些。

　　氣流對(duì)系統(tǒng)的熱平衡有很大影響。請(qǐng)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(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(wěn)壓器推送到下一個(gè)，引起堆疊效應(yīng)。右邊的微型模塊穩(wěn)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(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(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(wěn)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(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(shí)現(xiàn)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)。

　　AIRFLOW DIRECTION：氣流方向

　　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)

　　AIRFLOW：氣流

　　DIRECTION：方向

　　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(shí)，4 個(gè)并聯(lián) LTM4601 的熱像 (12VIN 至 1.0VOUT/40A)

　　AIRFLOW：氣流

　　DIRECTION：方向

　　你的系統(tǒng)有多環(huán)保?

　　這里是另一個(gè)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(duì)平坦，這使 LTM4611 在后續(xù)產(chǎn)品中的熱設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)用數(shù)量的日益增加，降低輕負(fù)載時(shí)的功耗與降低重負(fù)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(xiàn)實(shí) (就節(jié)能而言)，數(shù)字設(shè)備就被有意設(shè)計(jì)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(lái)越普遍。圖 6 顯示，在較輕負(fù)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 VIN 15A DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器 LTM4611 的效率

　　EFFICIENCY：效率

　　LOAD CURRENT：負(fù)載電流

　　耐熱增強(qiáng)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(xiàn)卓越的散熱。圖 7 顯示了 LTM4611 頂部的紅外 (IR) 熱像，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試且沒(méi)有氣流時(shí)，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(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行且沒(méi)有氣流時(shí)的測(cè)試結(jié)果，表面溫度熱點(diǎn)為 65°C。

　　與圖 7 對(duì)比，圖 8 顯示了另一個(gè) LTM4611 頂部的 IR 熱像，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)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(zhuǎn)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(fù)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 (Tech Clip)

　　對(duì)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(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(jī)來(lái)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(cè)量 LTM4611 表面溫度的矢量 (標(biāo)注為 1 和 2)。測(cè)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(qǐng)注意，當(dāng)觀察顏色以確定溫度時(shí)，色譜 (藍(lán)色到黃色到白色) 指示溫度的變化，而不是絕對(duì)值。例如，一種情況下的黃色可能對(duì)應(yīng)于 70ºC，但在其他測(cè)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(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(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)) 以及非常高的 15A 負(fù)載電流情況下測(cè)試的。沒(méi)有線性穩(wěn)壓器能在 15A 時(shí)提供低壓差。盡管計(jì)算所得效率為 83% (= 1.5/1.8V)，但是線性穩(wěn)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(shù)字允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師搭建一個(gè)非常緊湊的電路，因?yàn)樯嵯拗谱畲笙薅鹊販p少了。對(duì)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(shí)間，請(qǐng)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(kāi)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(shí)，還需意識(shí)到，當(dāng)熱量管理成為關(guān)注點(diǎn)時(shí)，高效率轉(zhuǎn)換值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。一個(gè)明智的主意是，簡(jiǎn)單地計(jì)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(duì)其性能深信不疑。