TI專家為你解答電源設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題（五 ）

　　過(guò)去估算半導(dǎo)體溫升十分簡(jiǎn)單。您只需計(jì)算出組件的功耗，然后采用冷卻電路電模擬即可確定所需散熱片的類型?，F(xiàn)在出于對(duì)尺寸和成本因素的考慮，人們渴望能夠去除散熱片，這就使得這一問(wèn)題復(fù)雜化了。貼裝在散熱增強(qiáng)型封裝中的半導(dǎo)體要求電路板能夠起到散熱片的作用，并提供所有必需的冷卻功能。如圖 1 所示，熱量經(jīng)過(guò)一塊金屬貼裝片和封裝流入印刷線路板 （PWB）。然后，熱量由側(cè)面流經(jīng) PWB 線跡，并通過(guò)自然對(duì)流經(jīng)電路板表面擴(kuò)散到周圍的環(huán)境中。影響裸片溫升的重要因素是 PWB 中的銅含量以及用于對(duì)流導(dǎo)熱的表面面積。

　　圖 1 熱量由側(cè)面流經(jīng) PWB 線跡，然后從 PWB 表面擴(kuò)散至周圍環(huán)境。

　　半導(dǎo)體產(chǎn)品說(shuō)明書通常會(huì)列出某種 PWB 結(jié)構(gòu)下結(jié)點(diǎn)至周圍環(huán)境的熱阻。這就是說(shuō)，設(shè)計(jì)人員只需將這種熱阻乘以功耗，便可計(jì)算出溫升情況。但是，如果設(shè)計(jì)并沒有具體的結(jié)構(gòu)，或者如果需要進(jìn)一步降低熱阻，那么就會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題。

　　圖 2 所示為熱流問(wèn)題的簡(jiǎn)化電模擬，我們可據(jù)此深入分析。IC 電源由電流源表示，而熱阻則由電阻表示。在各電壓下對(duì)該電路求解，其提供了對(duì)溫度的模擬。從結(jié)點(diǎn)至貼裝面存在熱阻，同時(shí)遍布于電路板的橫向電阻和電路板表面至周圍環(huán)境的電阻共同形成一個(gè)梯形網(wǎng)絡(luò)。這種模型假設(shè)1）電路板為垂直安裝，2）無(wú)強(qiáng)制對(duì)流或輻射制冷，所有熱流均出現(xiàn)在電路板的銅中，3）在電路板兩側(cè)幾乎沒有溫差。

　　圖 2 熱流電氣等效簡(jiǎn)化了溫升估算

　　圖 3 所示為增加 PWB 中的銅含量對(duì)提高熱阻的影響。將 1.4 mils 銅（雙面，半盎司）增加到 8.4 mils（4 層，1.5 盎司），就有可能將熱阻提高 3 倍。圖中兩條曲線：一條表示熱流進(jìn)入電路板、直徑為 0.2 英寸的小尺寸封裝；另一條表示熱流進(jìn)入電路板、直徑為 0.4 英寸的大尺寸封裝。這兩條曲線均適用于 9 平方英寸的 PWB。這兩條曲線均同標(biāo)稱數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，同時(shí)都有助于估算改變產(chǎn)品說(shuō)明書電路板結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。但是使用這一數(shù)據(jù)時(shí)需要多加謹(jǐn)慎，其假設(shè) 9 平方英寸 PWB 內(nèi)沒有其他功耗，而實(shí)際上并非如此。

　　圖 3 熱流電氣等效簡(jiǎn)化了溫升估算
電源設(shè)計(jì)小貼士 10：輕松估計(jì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

本篇電源設(shè)計(jì)小貼士介紹了一種通過(guò)了解控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態(tài)響應(yīng)的簡(jiǎn)單方法。該方法充分利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即所有電 路的閉環(huán)輸出阻抗均為開環(huán)輸出阻抗除以 1 加環(huán)路增益，或簡(jiǎn)單表述為：

　　圖 1 以圖形方式說(shuō)明了上述關(guān)系，兩種阻抗均以 dB-Ω 或 20*log ［Z］ 為單位。在開環(huán)曲線上的低頻率區(qū)域內(nèi)，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當(dāng)輸 出電容和電感發(fā)生諧振時(shí)，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯(lián)電阻 （ESR） 以及等效串聯(lián)電感 （ESL）。將開環(huán)阻抗除以 1 加環(huán)路增益 即可計(jì)算得出閉環(huán)輸出阻抗。

　　由于該圖形以對(duì)數(shù)表示，即簡(jiǎn)單的減法，因此在增益較高的低頻率區(qū)域阻抗會(huì)大大降低；在增益較少的高頻率區(qū)域閉環(huán)和開環(huán)阻抗基本上是一樣的。在 此需要說(shuō)明如下要點(diǎn)：1）峰值環(huán)路阻抗出現(xiàn)在電源交叉頻率附近，或出現(xiàn)在環(huán)路增益等于 1（或 0dB）的地方；以及 2）在大部分時(shí)間里，電源控制帶寬都將會(huì) 高于濾波器諧振，因此峰值閉環(huán)阻抗將取決于交叉頻率時(shí)的輸出電容阻抗。

　　圖 1閉環(huán)輸出阻抗峰值 Zout 出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉頻率處

　　一旦知道了峰值輸出阻抗，就可通過(guò)負(fù)載變動(dòng)幅度與峰值閉環(huán)阻抗的乘積來(lái)輕松估算瞬態(tài)響應(yīng)。有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)需要說(shuō)明一下，由于低相位裕度會(huì)引起 峰化，因此實(shí)際的峰值可能會(huì)更高些。然而，就快速估計(jì)而言，這種影響可以忽略不計(jì) ［1］ 。

　　第二個(gè)需要注意的事項(xiàng)與負(fù)載變化幅度上升有關(guān)。如果負(fù)載變化幅度變化緩慢（dI/dt較低），則響應(yīng)取決于與上升時(shí)間有關(guān)的低頻率區(qū)域閉環(huán)輸出阻抗； 如果負(fù)載變化幅度變化極為快速，則輸出阻抗將取決于輸出濾波器 ESL。如果確實(shí)如此，則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統(tǒng)而言，電源 的功率級(jí)可能會(huì)限制響應(yīng)時(shí)間，即電感器中的電流可能不能像控制環(huán)路期望的那樣快速響應(yīng)，這是因?yàn)殡姼泻褪┘拥碾妷簳?huì)限制電流轉(zhuǎn)換速率。

　　下面是一個(gè)如何使用上述關(guān)系的示例。問(wèn)題是根據(jù) 200kHz 開關(guān)電源 10 amp 變化幅度允許范圍內(nèi)的 50mV 輸出變化挑選一個(gè)輸出電容。所允許的峰值輸 出阻抗為：Zout=50 mV / 10 amps 或 5 毫歐。這就是最大允許輸出電容 ESR。接下來(lái)就是建立所需的電容。幸運(yùn)的是，ESR 和電容均為正交型，可單獨(dú)處理。一 個(gè)高 （Aggressive） 電源控制環(huán)路帶寬可以是開關(guān)頻率的 1/6 或 30 kHz。于是在 30 kHz 時(shí)輸出濾波電容就需要一個(gè)不到 5 毫歐的電抗，或高于 1000uF 的電容。 圖 2 顯示了在 5 毫歐 ESR、1000uF 電容以及 30 kHz 電壓模式控制條件時(shí)這一問(wèn)題的負(fù)載瞬態(tài)仿真。就校驗(yàn)這一方法是否有效的 10amp 負(fù)載變動(dòng)幅度而言， 輸出電壓變化大約為 52mV。

　　圖 2 仿真校驗(yàn)估計(jì)負(fù)載瞬態(tài)性能