大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器的引腳設(shè)計(jì)

圖4，SynQor的大電流半轉(zhuǎn)引腳設(shè)計(jì)，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(dāng)輸出電流從負(fù)載板的功率平面上的引腳向外傳輸時(shí)，降低負(fù)載板出現(xiàn)的損耗。SynQor 公司廣泛地研究了這個(gè)問題，通過理論分析和嚴(yán)密控制的實(shí)驗(yàn)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(shè)想一個(gè)12英寸見方的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載板。假設(shè)這塊板周圍有4個(gè)均勻分布的負(fù)載，每個(gè)吸取25A的電流，同時(shí)設(shè)想一個(gè)100A的半磚轉(zhuǎn)換器就貼裝在這塊板的一邊。進(jìn)一步假設(shè)，連接轉(zhuǎn)換器和這些負(fù)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(gè)引出端僅使用一個(gè)輸出引腳從半磚轉(zhuǎn)換器吸取100A電流的情況。然后，將其結(jié)果與每個(gè)引出端采用雙倍的輸出引腳的兩種方法進(jìn)行比較。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)端僅有一個(gè)功率引腳時(shí)，我們可以非常輕松而且精確地計(jì)算出功率平面的電壓情況。在SynQor進(jìn)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?yàn)樵诔浞掷霉β势矫嬲麄€(gè)寬度之前，電流必須從一個(gè)小點(diǎn)(引腳)發(fā)散出去。這個(gè)“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(shí)引起的損耗，這個(gè)數(shù)字就會(huì)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(gè)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(guān)注從引腳到負(fù)載的電壓降。圖1的刻度比例同樣也使我們不能把第二個(gè)引腳從第一個(gè)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(gè)圖表中不能很好地表現(xiàn)出來。對這個(gè)轉(zhuǎn)換器來說，附加輸出引腳的放置地點(diǎn)是原始引腳0.2英寸以內(nèi)的地方(對齊)。這種引腳設(shè)計(jì)(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(gè)引腳時(shí)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?jǐn)U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(gè)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(gè)引腳一樣。因此，擁有兩個(gè)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(gè)擴(kuò)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(shí)的情況。圖4說明SynQor大電流半磚引腳的設(shè)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(gè)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?yàn)樵诘谝粋€(gè)引腳設(shè)計(jì)中，這兩個(gè)輸出引腳在從表面上看是不可區(qū)分的，而 在第二個(gè)設(shè)計(jì)中，它們之間明顯地隔開了。

第二個(gè)設(shè)計(jì)最重大的改進(jìn)就是因?yàn)閮蓚€(gè)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(gè)引腳的電流在與另一個(gè)電流迭合之前就基本完成擴(kuò)散。由于有兩個(gè)平行的通道，有效的擴(kuò)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(shè)計(jì)極大地降低了在客戶的負(fù)載板上的電阻擴(kuò)散，使連接的寄生電感能夠降低90%。這個(gè)提高使模塊具有更好的瞬態(tài)反應(yīng)，降低輸出紋波，改善均流能力。

進(jìn)一步說，圖4的附加引腳的放置位置不僅能夠降低負(fù)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(fù)載板上。這條通路上可以有多少熱量經(jīng)過取決于負(fù)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(diǎn)，降低至8W。這個(gè)降低使轉(zhuǎn)換器區(qū)域中的負(fù)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(huì)認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)不同的引腳方式間兼容設(shè)計(jì)是不可能的。但有趣的是，只需要很小的改進(jìn)，不同的引腳設(shè)計(jì)可以彼此相互兼容替代，只需在負(fù)載板上多挖一些孔即可。然而，問題并不僅僅是非獨(dú)家供貨問題，而是性能。采用相反極性引腳的設(shè)計(jì)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)的選擇必須非常明智，不僅僅要考慮引腳的位置，同時(shí)還有考慮引腳極性和導(dǎo)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(shè)計(jì)將極性相反的終端并排放在一起。盡管對這個(gè)更小的轉(zhuǎn)換器來說，給定的終端兩個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)比給定終端兩個(gè)引腳之間距離僅為0.15英寸的設(shè)計(jì)更加優(yōu)越。

這個(gè)分析說明，大電流轉(zhuǎn)換器的引腳設(shè)計(jì)不應(yīng)該忽視，而應(yīng)該引起重視。性能的結(jié)果很真實(shí)，而且設(shè)計(jì)工程師還不確定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將是什么?，F(xiàn)在是為大電流轉(zhuǎn)換器磚引腳確定一個(gè)明智的標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候了。當(dāng)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(shè)計(jì)時(shí)，這個(gè)要求會(huì)更加迫切。增加一倍的相反極性設(shè)置，并使引腳之間的距離最大化，能夠?yàn)樗姆种淮u提供與二分之一磚同樣的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢。然而一些DC/DC轉(zhuǎn)換器還維持雙正、雙負(fù)的配置。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，針對大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器引腳標(biāo)準(zhǔn)化的任何決定都將由市場決定。換句話說，每個(gè)人都可能按照市場領(lǐng)導(dǎo)者的方式而行動(dòng)。如果是這樣的，讓我們希望OEM和ODM廠商能夠明智地選擇。