高性能高密度DC/DC電源設(shè)計要點

引言

高性能電源設(shè)計繼續(xù)要求在日漸縮小的板上空間中提供更高的功率。更高的電源密度對電源設(shè)計師提出了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計必須具有高于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)計尤其重要。在限制用以減小電源設(shè)計整體尺寸的外置電容時，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)計師被迫在設(shè)計一個分立式電源轉(zhuǎn)換器和購買一個傳統(tǒng)的電源模塊解決方案之間進行選擇。分立式電源設(shè)計和傳統(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)鍵是提供一個完全集成電路的易于使用的緊湊型電源設(shè)計方案，凌特公司的LTM4600微型模塊電源為對空間要求嚴格的電源設(shè)計提供了一個解決方案。這種高性能負載點（POL）微型模塊可以在不犧牲溫度或電特性的情況下，解決空間狹小的問題。我們就緊湊型（POL）穩(wěn)壓器設(shè)計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)計分配空間

這個大功率（POL）穩(wěn)壓器是針對空間要求嚴格的電源設(shè)計的一個好例子。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。一個大型系統(tǒng)板通常需要幾個這樣的負載點電源，因此，為每一個電源設(shè)計分配一定的空間就成了問題。另外，系統(tǒng)板的背面通常對高度有限制，一般不適合電源設(shè)計利用。分立式電源轉(zhuǎn)換器通常為了實現(xiàn)緊湊設(shè)計而利用系統(tǒng)板的兩側(cè)，因為其本身的高度問題，傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計則只能限制在系統(tǒng)板的上面。傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計一般都在戰(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)壓器位置時會先考慮負載的位置，因此這常常會導(dǎo)致性能下降。LTM4600微型模塊可以安裝在非?？拷撦d點的系統(tǒng)板表面或背面。

圖1顯示了雙面分立POL設(shè)計和集成電路模塊POL設(shè)計之間的差別。分立設(shè)計具有靈活性，可以單獨安裝在系統(tǒng)板上或作為一個傳統(tǒng)電源模塊提供給用戶，但它比集成電路模塊設(shè)計需要更大的PCB空間。分立設(shè)計在系統(tǒng)板的表面或背面不能有效地利用板上空間。分立設(shè)計還需要很多組件和謹慎的板布局，因此需要仔細地挑選和采購元件，同時對設(shè)計時間和技術(shù)也有一定的要求。傳統(tǒng)電源模塊具有與分立設(shè)計同樣的缺點。其差別在于，傳統(tǒng)電源模塊是在一個小型的印刷電路板上放置分立元件。這樣的器件被認為很容易采購和使用，但是卻需要解決散熱和重要的氣流問題。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標(biāo)準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)計還可以非常簡便地復(fù)制和安裝在多電源通道應(yīng)用中。

不管是哪種設(shè)計方式都必須保證高效以限制功耗。圖2為通常情況下一個12V~3.3V設(shè)計中的效率曲線。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行平衡。負載點穩(wěn)壓器的電源轉(zhuǎn)換效率通常與尺寸成正比，并與開關(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)計通常會導(dǎo)致更大的功耗和更低的效率，因為這些小體積的元件熱阻較高。較高的開關(guān)頻率可減小設(shè)計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會因為這些器件的寄生電容，在更高的開關(guān)頻率情況下導(dǎo)致更大的損耗。電源設(shè)計師必須進行多方面的計算，對各種分立轉(zhuǎn)換器設(shè)計作出比較和選擇，通常需要在開關(guān)頻率、效率和尺寸之間進行權(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)計師在降低寄生電容和電感方面取得了進展。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?，F(xiàn)在，也可以實現(xiàn)高得多的開關(guān)頻率，而不會產(chǎn)生會導(dǎo)致效率降低的寄生性問題。更高的頻率運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是一個簡化了的負載點模塊電路圖。一個先進的電源控制架構(gòu)，加上優(yōu)化的電源通道和封裝，可以為空間要求嚴格的POL設(shè)計提供優(yōu)秀的解決方案。電源控制架構(gòu)需要具有高頻開關(guān)、過流保護、過壓保護、均流、精確穩(wěn)壓和快速控制環(huán)路能力，以在負載瞬態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)時維持輸出穩(wěn)壓。沒有這些改進的分立電源穩(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，在一個完整、集成的電源解決方案中融入了所有這些先進技術(shù)。

負載點穩(wěn)壓器的大功率密度代表了大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計中重要的溫度挑戰(zhàn)。真正的問題是，要從系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)壓器中將熱量導(dǎo)出來，而這些系統(tǒng)需要在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作，溫度通?？蛇_50℃以上。圖4和圖5顯示了33W分立或傳統(tǒng)模塊負載點穩(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顯示了兩個安裝在板背面的功率MOSFET熱圖像。兩個功率器件的溫度都將近100℃，比板溫度高40℃。該功率MOSFET的8個外部引線是比較差的熱導(dǎo)體，表示一個高的熱阻。由于氣流有限，這對板的背面來說是一個非常嚴重的熱問題。由于元件之間的高度參差不齊，分立設(shè)計的散熱比較困難。由于一些工業(yè)標(biāo)準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。這些模塊采用熱阻相對較低的分立元件和標(biāo)準印刷電路板材料，參差不齊的元件高度同樣使散熱困難。一個理想的電源模塊需要針對器件正面和背面進行優(yōu)化的熱設(shè)計。

圖6顯示了與分立設(shè)計一樣在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頂部安裝一個小型BGA散熱器，器件的溫度會大大降低。穿過該散熱器的氣流可進一步降低溫升，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箱上或者帶有散熱焊盤的板載體。

LTM4600對空間要求嚴格的電源設(shè)計具有獨特的優(yōu)勢。該微型模塊是一款獨特的功率器件，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94%。兩個微型模塊甚至可以并聯(lián)在一起，使輸出功率加倍?，F(xiàn)在市場上產(chǎn)品設(shè)計周期越來越短，LTM4600的易用性將能夠縮短產(chǎn)品上市時間。

總體說來，大功率密度的設(shè)計難點可以通過創(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)計中的問題。模塊化的趨勢將繼續(xù)流行，因為它在解決先進電源設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的空間和熱量問題方面非常有效。

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