用iPOWIRTM系列產(chǎn)品簡化DC-DC 硬件設(shè)計(jì)

介紹

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一方面是提高電源性能來滿足更大負(fù)載的要求，另一方面是在日益緊湊的空間內(nèi)為其它設(shè)備留出更多寶貴的空間以便增加系統(tǒng)功能，系統(tǒng)工程師也需要一種快捷、簡單而且不需要太多電源設(shè)計(jì)工程師或資源的方案。此外，人們也期望有一種設(shè)計(jì)更加簡潔明了能滿足各種特定應(yīng)用需要的電源解決方案。

　　IR公司的iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品可以大大簡化高密度、高效、緊湊的點(diǎn)式負(fù)載電源的設(shè)計(jì)，而且可以大大縮短設(shè)計(jì)和上市時(shí)間。iPOWIR Technology系列產(chǎn)品采用BGA封裝，具有很高的集成度，主要的功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)集成在iPOWER內(nèi)，其應(yīng)用如圖1所示，僅需要很少的外圍器件i，同分立器件應(yīng)用方案相比，可以節(jié)省約90%的器件，而且可以非常靈活地選擇外圍器件配置以適應(yīng)不同的應(yīng)用。IR公司的這一新的技術(shù)平臺(tái)可以大大簡化PCB設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝，使得一種新的終端電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能。

以下是本文要詳細(xì)講述的內(nèi)容：

*優(yōu)化基于iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品的PCB布局和熱設(shè)計(jì)

*保證功率損耗——免去繁瑣的功率損耗計(jì)算

*保證安全操作區(qū)——免去復(fù)雜的熱分析

*同其他方案相比縮小版面空間

*通過使用可自對準(zhǔn)的BGA封裝器件，可以簡化工藝并提升產(chǎn)量

優(yōu)化PCB版面設(shè)計(jì)

　　對于對功率器件布局安裝要求比較嚴(yán)格的DC-DC轉(zhuǎn)換器來說BGA封裝提供了一個(gè)非常可靠的平臺(tái)，這種封裝具有非常低的熱阻，可以使內(nèi)部溫度較低并且提供一個(gè)可以忍受較高的機(jī)械及熱應(yīng)力的連接。將本器件安裝于PCB板上時(shí)請注意以下幾個(gè)簡單的指導(dǎo)性原則ii：

1)PCB板應(yīng)是FR-4或聚酰亞胺或其它滿足IPC-A-610規(guī)范的材料；

2）BGA器件的熱效率取決于器件到PCB的眾多并聯(lián)焊接球的散熱能力。

3）為了盡可能地減小熱阻還需要特別強(qiáng)調(diào)的是盡量多地使用錫球做為功率連接，并且在焊接球區(qū)域設(shè)計(jì)成公共焊接區(qū)，而非獨(dú)立的球面。

　　BGA器件內(nèi)部集成了大量有源及無源器件，而且對布線要求很嚴(yán)格的器件都集成在BGA內(nèi)部，所以外部布線非常簡單，通常只有幾個(gè)很簡單的輸入輸出引腳以及用戶引腳，與需要仔細(xì)布局布線以防止雜散參數(shù)影響的分立元件解決方案相比，可以大大簡化電源的設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)也同樣如此，同常規(guī)的表面貼裝器件相比，設(shè)計(jì)者根本不必考慮如此多的問題。圖2是典型的基于BGA的電路與常規(guī)分立器件的布局比較。

　　構(gòu)成完整的電路還需要幾個(gè)外圍器件：輸入電容、輸出電容和輸出電感。這些元件的值是可以根據(jù)具體應(yīng)用要求（如輸出電流、暫態(tài)響應(yīng)、電壓和開關(guān)頻率等）而改變的。由于對布局布線很敏感的同步整流變換器已經(jīng)集成在BGA內(nèi)部，而且內(nèi)部還有小容量的輸入電容，所以對外圍器件的要求相對較低，但在設(shè)計(jì)時(shí)還是要注意輸入電容和輸出濾波器應(yīng)盡可能靠近BGA。當(dāng)同時(shí)滿足有困難時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮輸入退耦電容，其次才是輸出濾波器，這是因?yàn)锽GA內(nèi)部的MOSFET可以產(chǎn)生高達(dá)2KV/μS的電壓變化率，減小輸入電容與BGA的距離有助于減小雜散參數(shù)的影響，防止振蕩。

應(yīng)用iPOWIR時(shí)對終端系統(tǒng)熱環(huán)境的考慮

　　iPOWIRTM BGA器件通過向PCB傳遞熱量來降低自身溫度，因此需要考慮PCB的熱特性iii，而每個(gè)電路板的情況都不一樣，只有通過實(shí)際測量來確定板到環(huán)境的熱阻RTHBA。用一個(gè)功耗已知的器件（如大功率表貼電阻）代替iPOWIRTM器件，通以一定的電流，然后用熱電偶或其它方法測量板溫，一旦知道環(huán)境溫度TA板溫TPCB以及耗散功率PBLK就可以通過式1來算出板到環(huán)境的熱阻RTHBA。

RTHBA = (TB – TA) / P 式1

　　如圖3所示的傳統(tǒng)分立元件同步整流變換器中，要精確測量其功率損耗是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)楣β蕮p耗可分為很多部分，每一部分都與多個(gè)量相關(guān)。設(shè)計(jì)者要花費(fèi)大量的時(shí)間來選擇合適的MOSFET以及控制方式來適應(yīng)不同的應(yīng)用。在典型的低占空比（即VIN>>VOUT）應(yīng)用中高側(cè)的MOSFET應(yīng)當(dāng)適當(dāng)優(yōu)化以減少開關(guān)損耗并盡可能降低通態(tài)電阻，同步整流FET也應(yīng)該有盡量低的導(dǎo)通電阻，盡可能降低總的柵極電荷以便驅(qū)動(dòng)器能在指定的頻率下驅(qū)動(dòng)器件。對于同步整流FET，還應(yīng)確保其特定的充電比例在一定范圍內(nèi)，以防止在高頻應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)不必要的開通。在高頻應(yīng)用時(shí)開關(guān)點(diǎn)產(chǎn)生很高的dv/dt可以在低端FET柵極上感應(yīng)一個(gè)尖峰電壓，如果這個(gè)電壓達(dá)到開啟門限，就會(huì)因?yàn)槠骷奈?dǎo)通，從而導(dǎo)致上下管同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生直通電流，這樣會(huì)降低效率甚至危及安全。

　　iPOWIRTM產(chǎn)品內(nèi)部的控制電路、同步整流電路都是經(jīng)過優(yōu)化匹配，內(nèi)部精心布局，充分考慮到降低損耗、減少雜散參數(shù)的影響以及防止誤導(dǎo)通等問題，總之所有要求嚴(yán)格的工作都已被充分地重視。在生產(chǎn)過程中iPOWIRTM產(chǎn)品是經(jīng)過100%測試的，設(shè)計(jì)者只需按照數(shù)據(jù)表給定的最大功耗和安全工作區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全不必象分立器件變換器設(shè)計(jì)那樣耗費(fèi)大量的時(shí)間來考慮每一個(gè)器件的情況，整個(gè)設(shè)計(jì)變得非常簡單。

　　數(shù)據(jù)表iv給出了一個(gè)給定工作環(huán)境下的最大容許熱耗和SOA曲線，同時(shí)也有曲線說明如何確定輸入電壓、輸出電壓和工作頻率范圍，所有這些變量都與功率損耗表達(dá)式相關(guān)。通過確定功耗便可以得到安全工作區(qū)范圍，也可以得到特定工作環(huán)境下的最大板溫，數(shù)據(jù)表為設(shè)計(jì)工程師提供電源熱設(shè)計(jì)所需的重要信息，設(shè)計(jì)者唯一所要做的就是確認(rèn)電路板的熱阻。

　　圖3 & 4v所示的是最大功耗和最大安全工作區(qū)的曲線示意圖，通過這些曲線可以檢驗(yàn)在特定的環(huán)境中應(yīng)用是否安全。例如在環(huán)境溫度60℃，板到環(huán)境熱阻為15℃/W的情況下，例A要工作于16A，其功耗為3.1 W，例B在14A應(yīng)用時(shí)功耗為2.5 W，通過式1可以計(jì)算出例A的板溫為106.5℃，例B板溫為97.5℃，對照最大安全工作區(qū)的曲線可知例A已超出了安全工作區(qū)，故在該環(huán)境下并不能保證可靠工作；例B仍在安全工作區(qū)，故可以可靠工作。

　　相反地，這些等式也能用來確定在給定工作電流和環(huán)境溫度的情況下能可靠工作的PCB熱特性（電路板熱阻及最高允許溫度）或在給定的工作電流和電路板熱阻的情況下允許的最高環(huán)境溫度。

iPOWIR BGA 方案可簡化生產(chǎn)工藝

　　iPOWIRTM BGA器件的腳距是0.8mm，適合于標(biāo)準(zhǔn)的貼片機(jī)和回流焊爐，也就是說生產(chǎn)時(shí)并不需要新的設(shè)備來裝配iPOWIRTM BGA器件。由于器件可以通過焊錫的表面張力自動(dòng)回到焊盤中央，所以定位誤差最大可以放寬到焊盤直徑的一半，即對于20mil的焊盤，定位誤差達(dá)到10mil時(shí)仍可以獲得很好的焊接效果。

結(jié)論

　　基于iPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品的點(diǎn)式負(fù)載變換器具有適應(yīng)范圍寬，外圍元件少，PCB版面設(shè)計(jì)簡單，熱設(shè)計(jì)方便，對生產(chǎn)設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便地為通訊/計(jì)算設(shè)備構(gòu)筑高性能、結(jié)構(gòu)緊湊的電源。IPOWIRTM Technology系列產(chǎn)品是通用結(jié)構(gòu)的終端系統(tǒng)電源解決方案的典范。

參考文獻(xiàn)及注解

i 請參照 iP1001 & iP2001 數(shù)據(jù)表 。

ii 請參照應(yīng)用筆記 AN-1028 “Recommended Design, Integration and Rework Guidelines for International Rectifier’s iPOWIR BGA Packages”。

iii 請參照應(yīng)用筆記 AN-1030 “Applying iPOWIR products in your thermal environment”。

iv 請參照iP2001 數(shù)據(jù)表 (PD#94089A)。

v Fig 3 & 4 是示意性的，并不是iPOWIR產(chǎn)品的實(shí)際特性曲線。