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通過3D封裝和組件放置方式解決POL穩(wěn)壓器散熱問題

作者: 時間:2018-07-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

下面將要陳述的一些事實(shí)一定會讓 IC 及電路設(shè)計(jì)師不快,不過,真實(shí)情況是,這些問題今天比幾年前更加顯著。盡管這些設(shè)計(jì)師腦力強(qiáng)大,通曉設(shè)計(jì)藝術(shù)和設(shè)計(jì)學(xué),擁有豐富經(jīng)驗(yàn),可以熟練擺弄波德圖 (Bode plot)、麥克斯韋方程 (Maxwell’s equations) 和零極點(diǎn),能夠設(shè)計(jì)出精致的 轉(zhuǎn)換器電路,但是 IC 設(shè)計(jì)師常常對付最后一個可怕的物理難題:熱量。這本來是封裝工程師的事兒。如今,封裝工程師對 (負(fù)載點(diǎn)) 熱性能的影響要比以往大得多,尤其是那些大功率、小封裝。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201807/384087.htm

POL 之所以產(chǎn)生熱量,是因?yàn)闆]有電壓轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到 100%。這樣一來就產(chǎn)生了一個問題,由封裝結(jié)構(gòu)、布局和熱阻導(dǎo)致的熱量會有多大? 封裝的熱阻不僅提高 POL 穩(wěn)壓器的溫度,還提高 PCB 及周圍組件的溫度,并使得系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

組件安裝到 PCB 上以后,消除封裝產(chǎn)生的熱量主要有兩種方法:

1)采用表面貼裝方式時,將熱量傳導(dǎo)到銅質(zhì) PCB 層,從封裝底部散熱。

2)用冷氣流從封裝頂部散熱,或者更準(zhǔn)確地說,熱量被傳遞到與封裝頂部表面接觸、溫度更低、快速運(yùn)動的空氣分子中。

當(dāng)然,還有一些無源和有源散熱方法,為討論簡便起見,我們將這些方法統(tǒng)統(tǒng)歸入上述第二個類別。因此,從熱量管理的角度來看,要保持包括 DC/DC POL 穩(wěn)壓器在內(nèi)的整個系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,更多銅質(zhì) PCB 層、更大的 PCB 面積、更厚的 PCB 層、在 PCB 上分散擺放組件、更大和轉(zhuǎn)速更快的風(fēng)扇等都是好主意。好主意是好主意,不過對小型、大功率 POL 穩(wěn)壓器進(jìn)行熱量管理時,是否還有其他有助的方法?

盡管上述某些或所有方法對限制系統(tǒng)熱量都很有效,但是采用這些散熱方法也許會使系統(tǒng)或最終產(chǎn)品失去競爭優(yōu)勢。最終產(chǎn)品 (例如路由器) 可能由于故意在 PCB 上擴(kuò)大組件之間的距離而變得太大,由于風(fēng)扇數(shù)量增加和氣流快速進(jìn)出發(fā)熱的電路而導(dǎo)致可聽的噪聲增大,這些因素最終也許會使最終產(chǎn)品成為市場上的劣等品,因?yàn)闉榱嗽诟偁幹袆俪?,各公司都不斷在緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、效率、冷卻成本等方面做出改進(jìn)。28nm、20nm 和低于 20nm 的數(shù)字器件提供更高性能,但功耗更大,而設(shè)備供應(yīng)商則在憑借更快、更小、噪聲更低、效率更高的創(chuàng)新相互比拼。新型數(shù)字技術(shù)能力超群、令人振奮,但背后仍然存在模擬和電源技術(shù)角力,以在封裝更小的情況下提供更大功率,同時最大限度減小對系統(tǒng)總體溫度的影響。具備較高功率密度的 POL 穩(wěn)壓器似乎是一個不錯的選擇:這種穩(wěn)壓器尺寸較小,但功率較大。

通過功率密度數(shù)值判斷 POL 穩(wěn)壓器是否適合是 …… 對新手而言

每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 穩(wěn)壓器應(yīng)該好于每平方厘米 30W 的穩(wěn)壓器。銷售商利用功率密度優(yōu)勢銷售產(chǎn)品,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對穩(wěn)壓器功率密度的要求逐年提高,以憑借下一版更快、更小、噪聲更低、效率更高的產(chǎn)品與對手競爭。在選擇“更好的”POL 穩(wěn)壓器時,更高的功率密度數(shù)值是決定性因素嗎? 我們從如下幾個方面來考慮這個問題。

首先,把功率密度數(shù)值放在一邊,研究一下 POL 穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表。找到熱量降額曲線。描述詳盡的 POL 穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表應(yīng)該有很多這類曲線,分別規(guī)定了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時的輸出電流、輸出電壓和氣流速度。換句話說,這樣的數(shù)據(jù)表應(yīng)該顯示在具體電路條件下 POL 穩(wěn)壓器的輸出電流能力,這樣設(shè)計(jì)師才能夠根據(jù)穩(wěn)壓器的熱量和負(fù)載電流能力判斷其是否適用。穩(wěn)壓器是否滿足系統(tǒng)的典型和最高環(huán)境溫度及氣流速度要求? 請記住,輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。這兩個因素密切相關(guān),同等重要。

其次是效率,效率問題不在第一位,而是在第二位。單提效率會產(chǎn)生誤導(dǎo),僅用效率來表述一個 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱特性是不準(zhǔn)確的。還需要計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功耗、結(jié)溫 ... 等等。不過,為了更好地說明問題,應(yīng)該在考慮輸出電流降額以及其他與器件及其封裝有關(guān)之熱量數(shù)據(jù)的同時,研究效率數(shù)值。例如,一個效率為 98% 的 DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器會給人留下極其深刻的印象。更加令人贊嘆的是,這款轉(zhuǎn)換器還聲稱具備出色的功率密度數(shù)值。你會不會買這個器件?

一位老道的工程師應(yīng)該問問 2% 的效率損失有什么影響。這種效率損失是怎樣轉(zhuǎn)換成封裝溫度上升的? 這種高功率密度和高效率穩(wěn)壓器在 60°C 環(huán)境溫度和 200LFM 氣流時結(jié)溫是多少? 要突破 25°C 室溫時的典型數(shù)值來思考問題。在 40°C、85°C 或 125°C 的極端溫度時測得的最大值和最小值是多少? 如果封裝熱阻過高、結(jié)溫上升到安全工作溫度范圍以外時怎么辦? 如果這款昂貴的穩(wěn)壓器必須降額到很低的輸出電流值,那么會不會因輸出功率能力減弱而使該器件的高價(jià)格不再合理?

最后一個需要考慮的因素是這款 POL 穩(wěn)壓器是否易于冷卻。數(shù)據(jù)表中提供的封裝熱阻值是仿真和計(jì)算該器件的結(jié)溫、環(huán)境溫度以及外殼溫度上升的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于表面貼裝封裝的大部分熱量都是從封裝底部擴(kuò)散到 PCB,所以數(shù)據(jù)表中必須明確說明布局指導(dǎo)原則和各種熱量測量條件及方法,以免在后續(xù)形成系統(tǒng)原型時出現(xiàn)意外。

設(shè)計(jì)良好的封裝應(yīng)該能夠高效率地通過所有封裝表面均勻散熱,以消除熱量集中問題和熱點(diǎn),這些問題會降低 POL 穩(wěn)壓器的可靠性,應(yīng)該消除或減輕。如之前所述,PCB 負(fù)責(zé)吸收表面貼裝 POL 穩(wěn)壓器的熱量并提供散熱途徑,不過,在如今密集、復(fù)雜的系統(tǒng)中,氣流是很常見,因此一種設(shè)計(jì)思路更加聰明的 POL 穩(wěn)壓器利用了這種“免費(fèi)”冷卻機(jī)會,用來去除 MOSFET 、電感器等發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量。

將熱量從封裝內(nèi)部引導(dǎo)到封裝頂部并擴(kuò)散到空氣中

大功率開關(guān) POL 穩(wěn)壓器靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓。非隔離式降壓型 POL 穩(wěn)壓器使用一個電感器,該電感器以及 MOSFET 等伴隨的開關(guān)組件在 DC/DC 轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生熱量。大約 10 年前,由于封裝技術(shù)的進(jìn)步,包括磁性組件在內(nèi)的整個 DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以裝入一個模制塑料封裝中,稱為模塊或 SiP,模制塑料封裝內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量必須從封裝底部引導(dǎo)到 PCB。提高封裝散熱能力的任何傳統(tǒng)方法都會導(dǎo)致封裝變大,例如在表面貼裝封裝頂部附著一個散熱器。

不過,3 年前出現(xiàn)了一種創(chuàng)新性模塊封裝方法,該方法利用可用氣流實(shí)現(xiàn)器件冷卻。散熱器集成到模塊封裝內(nèi)部,是完全模制的。該散熱器形狀獨(dú)特,一端在封裝內(nèi)連接到發(fā)熱源 MOSFET 和電感器,另一端是一個平坦的表面,暴露于封裝頂部。憑借這種新型封裝和內(nèi)置散熱器技術(shù),器件可以在某些氣流的作用下快速冷卻,因?yàn)樵诜庋b頂部,平坦的散熱器表面與空氣接觸,空氣可以從封裝頂部帶走熱量 (參見 TechClip 視頻中的 LTM4620 數(shù)據(jù)表)。另一種提高大功率 POL 穩(wěn)壓器熱性能的封裝理念又將這種方法向前推進(jìn)了一步。

以疊置電感器作為散熱器的 POL 模塊型穩(wěn)壓器

POL 穩(wěn)壓器中電感器的大小取決于很多因素,其中包括電壓、開關(guān)頻率、需處理的電流及其結(jié)構(gòu)。采取模塊化方法時,包括電感器的 DC/DC 電路是完全模制的,密封在一種塑料封裝中,看起來就像一個 IC 一樣,電感器的大小決定封裝的厚度、體積和重量。電感器還是個發(fā)熱組件,提高了 POL 模塊型穩(wěn)壓器的內(nèi)部總體溫度。之前討論的方法,即在封裝中集成散熱器以將 MOSFET 和電感器的熱量傳導(dǎo)到封裝頂部,這是非常有用的,可以將封裝內(nèi)部的熱量從封裝頂部快速傳遞到封裝外部,并最終傳遞到空氣中,這種散熱器是一種冷卻板或稱無源散熱器。不過,這種方法適用于尺寸和電流都較小的電感器,這種電感器很容易放入塑料模制封裝中。功率較大的 POL 穩(wěn)壓器需要使用尺寸和電流都較大的電感器,將這樣的磁性組件放入封裝中,會使電路的其他組件被擠到旁邊,因此增大了封裝在 PCB 上占用的面積。較大的占板面積意味著較重的封裝。為了保持較小的占板面積,并進(jìn)一步改進(jìn)散熱,封裝工程師已經(jīng)開發(fā)出另一種方法:垂直、疊置或 封裝 (圖 1)。

圖 1:用于大功率 POL 穩(wěn)壓器模塊的 3D 或垂直封裝技術(shù)升高了電感器放置位置,將其作為散熱器裸露于氣流中。DC/DC 電路的其余部分安裝在電感器下面的襯底中,以使封裝占用較小的 PCB 面積,并提高其熱性能。

Model Construction without Mold:未模制的模型結(jié)構(gòu)

High Current Carrying Paths to Power Inductor:進(jìn)入功率電感器的大電流通路

More Effective Use of Substrate Copper for both Lower Impedance Board Connections and Better Thermals:更有效地用銅襯底降低電路板連接阻抗并改進(jìn)散熱

Topside Heat Sinking Utilizing Power Inductor:將功率電感器放置在封裝頂部起散熱作用

POWER INDUCTOR:功率電感器

AIRFLOW:氣流

Excellent Thermal Conduction:出色的熱傳導(dǎo)

具裸露疊置電感器的 3D 封裝:占板面積很小、功率提高、散熱性能改善

采用 3D 封裝這種構(gòu)造 POL 穩(wěn)壓器的新方法,可以同時獲得 PCB占板面積很小、功率更大、熱性能更高這 3 個優(yōu)點(diǎn) (圖 1 和圖 2)。LTM4636 是一款μModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器,具內(nèi)置 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC、MOSFET、支持性電路以及一個大的電感器,可降低輸出紋波,提供高達(dá) 40A 的負(fù)載電流,并從 12V 輸入提供精確穩(wěn)定的 3.3V 至 0.6V 輸出電壓。4 個 LTM4636 器件可以均分電流,以提供 160A 負(fù)載電流。該器件的占板面積為僅為 16mm x 16mm。如果計(jì)算一下,功率密度是非常高的。不過,要記得不要被數(shù)字愚弄。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言,這款 μModule 穩(wěn)壓器的好處是熱性能,以及令人印象深刻的 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率和散熱能力。

圖 2:LTM4636 用疊置電感器作為散熱器,以很小的占板面積實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的熱性能

為了保持很小的占板面積 (16mm x 16mm BGA),占板面積很大的電感器升高了放置位置,并固定在兩個銅線框之上,以便其余電路組件 (二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC/DC IC) 能夠焊接在電感器下面的襯底上。如果電感器放置在襯底上,那么 μModule 穩(wěn)壓器可能很容易就占用超過 1225 平方毫米的 PCB 面積,而不是現(xiàn)在的 256 平方毫米。這種方法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出更加緊湊的 POL 穩(wěn)壓器布局,不過該方法還有一個非常大的好處,它可實(shí)現(xiàn)良好的熱性能。

LTM4636 中的疊置電感器不是與塑料封裝一起模制 (密封) 的。其余組件則是模制的。電感器有圓滑的邊角且結(jié)構(gòu)體是升高的,便于裸露于空氣中,空氣更容易在其周圍和上部流動 (流動阻力最小)。

數(shù)值中反映出的事實(shí):40A LTM4636 的熱性能和效率

LTM4636 是一款 40A μModule 穩(wěn)壓器,采用 3D 封裝技術(shù),也稱為 Component-on-Package (CoP,圖 2)。該器件采用完全模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封裝。加上疊置在模制封裝頂部的電感器,LTM4636 的總體封裝高度即從 BGA 焊錫球(144 個) 底部到電感器頂部的高度為 7.16mm。

除了從頂部散熱,LTM4636 還可以高效率地將熱量從封裝底部傳遞到 PCB。該器件有 144 個 BGA 焊錫球,這些焊錫球成排成排地連接到有大電流流過的 GND、VIN 和 VOUT。這些焊錫球合起來充當(dāng)向 PCB 傳遞熱量的散熱器。LTM4636 為從封裝頂部和底部散熱而進(jìn)行了優(yōu)化。

在 12VIN、1VOUT、40A (40W) 滿負(fù)載電流和標(biāo)準(zhǔn) 200LFM 氣流時,LTM4636 的溫度僅比環(huán)境溫度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。圖 3 顯示了 LTM4636 在上述條件時的熱像。接下來的圖 4 顯示了降額數(shù)值。在 200LFM 時,LTM4636 在環(huán)境溫度高達(dá) 83°C時提供 40A 最大電流。在環(huán)境溫度高達(dá) 110°C 時,可以提供最大電流的一半 (即 20A)。這意味著,有氣流時,LTM4636 提供負(fù)載電流的能力受環(huán)境溫度的影響較小。

圖 3:在 40W 時溫度僅上升 40°C (12VIN 至 1VOUT,40A, 200LFM 氣流)

圖 4:200LFM、83°C 環(huán)境溫度時提供 40A 最大電流

OUTPUT CURRENT:輸出電流

AMBIENT TEMPERATURE:環(huán)境溫度

MOSFET 性能最佳以及 DC/DC 控制器強(qiáng)大的驅(qū)動器是 LTM4636 轉(zhuǎn)換效率很高的原因。以下是對 12Vin 電源進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換的一些數(shù)字:3.3V、25A 時效率為 95%,1.8V、40A 時效率為 93%,1V、40A 時效率為 88%。圖 5 總結(jié)了從 12Vin 轉(zhuǎn)換到 1Vout 至 3.3Vout 的效率數(shù)字。

圖 5:從 12VIN 轉(zhuǎn)換到各種輸出電壓時,DC/DC 轉(zhuǎn)換具有高效率

EFFICIENCY:效率

OUTPUT CURRENT:輸出電流

具熱平衡能力的 160W、可擴(kuò)展 4 x 40A μModule POL 穩(wěn)壓器

一個 LTM4636 的負(fù)載電流額定值是 40A。兩個采用電流均分模式 (或并聯(lián)) 的 LTM4636 提供 80A 電流,4 個 LTM4636 則提供 160A 電流 (圖 6 和圖 7)。LTM4636 的電流模式架構(gòu)允許在多個 40A 模塊之間準(zhǔn)確均分電流。準(zhǔn)確的電流均分又允許在兩個、3 個或 4 個并聯(lián)器件之間平衡散熱 (圖 6 和圖 7)。由于這種平衡散熱能力,所以沒有哪一個器件會過載或過熱。這種器件的另一個特點(diǎn)是能夠異相運(yùn)行,以降低輸出和輸入紋波電流,紋波電流降低又有助于減少輸入和輸出電容器數(shù)量。例如,4 個 LTM4636 以 90° 相差運(yùn)行 (360° ÷ 4)。該器件還提供時鐘和相位控制功能。此外,增大功率時所需布局工作很簡單,只需復(fù)制和粘貼占板面積即可 (符號和占板面積可用)。

圖 6:精確電流均分使 4 個并聯(lián) LTM4636 能夠平衡散熱,在 12VIN、1VOUT、160A、400LFM 時,溫度僅上升 40°C

FOUR PARALLEL MODULES AT 160A 40°C RISE:4 個并聯(lián)模塊,160A 電流,溫度上升 40°C

Balanced Thermals Equate to Good Current Sharing and Thermal Design:良好的電流均分和熱設(shè)計(jì)等于平衡散熱

圖 7:4 個并聯(lián) LTM4636 每個都具精確電流均分能力和高效率,12VIN 至 0.9VOUT,160A

PER MODULE CURRENT:每模塊電流

ACCURACY:準(zhǔn)確度

TOTAL OUTPUT CURRENT:總輸出電流

EFFICIENCY:效率

LOAD CURRENT:負(fù)載電流

結(jié)論

為組件密集排列的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要仔細(xì)考慮器件電壓和電流額定值以外的因素。評估封裝的熱特性是必不可少的步驟,因?yàn)樵撎匦詻Q定了設(shè)備的冷卻成本、PCB 成本和尺寸。3D 封裝方法,又稱為疊置、垂直、CoP 封裝方法,允許大功率 POL 模塊型穩(wěn)壓器占用很小的 PCB 面積,不過更重要的是,允許高效率散熱。LTM4636 系列是第一個受益于這種疊置封裝技術(shù)的 μModule 穩(wěn)壓器系列。LTM4636 是一款以疊置電感器作為散熱器的 40A POL μModule 穩(wěn)壓器,效率為 95% 至 88%,工作時溫度僅上升 40°C,且僅占用 16mm x 16mm PCB 面積。



關(guān)鍵詞: 穩(wěn)壓器 DC/DC

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