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基于3D封装和组件放置方式的POL稳压器散热解决

本文作者：凌力尔特公司(现隶属 Analog Devices 公司)微型模块电源产品部业务部经理Afshin Odabaee

下面将要陈述的一些事实一定会让 DC/DC IC 及电路设计师不快，不过，真实情况是，这些问题今天比几年前更加显著。尽管这些设计师脑力强大，通晓设计艺术和设计学，拥有丰富经验，可以熟练摆弄波德图 (Bode plot)、麦克斯韦方程 (Maxwell’s equations) 和零极点，能够设计出精致的 DC/DC 转换器电路，但是 IC 设计师常常对付最后一个可怕的物理难题：热量。这本来是封装工程师的事儿。如今，封装工程师对 DC/DC  (负载点) 稳压器热性能的影响要比以往大得多，尤其是那些大功率、小封装稳压器。

POL 稳压器之所以产生热量，是因为没有电压转换效率能够达到 100%。这样一来就产生了一个问题，由封装结构、布局和热阻导致的热量会有多大? 封装的热阻不仅提高 POL 稳压器的温度，还提高 PCB 及周围组件的温度，并使得系统散热设计更加复杂。

组件安装到 PCB 上以后，消除封装产生的热量主要有两种方法：

1)采用表面贴装方式时，将热量传导到铜质 PCB 层，从封装底部散热。

2)用冷气流从封装顶部散热，或者更准确地说，热量被传递到与封装顶部表面接触、温度更低、快速运动的空气分子中。

当然，还有一些无源和有源散热方法，为讨论简便起见，我们将这些方法统统归入上述第二个类别。因此，从热量管理的角度来看，要保持包括 DC/DC POL 稳压器在内的整个系统在安全的温度范围内运行，更多铜质 PCB 层、更大的 PCB 面积、更厚的 PCB 层、在 PCB 上分散摆放组件、更大和转速更快的风扇等都是好主意。好主意是好主意，不过对小型、大功率 POL 稳压器进行热量管理时，是否还有其他有助的方法?

尽管上述某些或所有方法对限制系统热量都很有效，但是采用这些散热方法也许会使系统或最终产品失去竞争优势。最终产品 (例如路由器) 可能由于故意在 PCB 上扩大组件之间的距离而变得太大，由于风扇数量增加和气流快速进出发热的电路而导致可听的噪声增大，这些因素最终也许会使最终产品成为市场上的劣等品，因为为了在竞争中胜出，各公司都不断在紧凑性、计算能力、数据传输速率、效率、冷却成本等方面做出改进。28nm、20nm 和低于 20nm 的数字器件提供更高性能，但功耗更大，而设备供应商则在凭借更快、更小、噪声更低、效率更高的创新相互比拼。新型数字技术能力超群、令人振奋，但背后仍然存在模拟和电源技术角力，以在封装更小的情况下提供更大功率，同时最大限度减小对系统总体温度的影响。具备较高功率密度的 POL 稳压器似乎是一个不错的选择：这种稳压器尺寸较小，但功率较大。

通过功率密度数值判断 POL 稳压器是否适合是 …… 对新手而言

每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 稳压器应该好于每平方厘米 30W 的稳压器。销售商利用功率密度优势销售产品，系统设计师对稳压器功率密度的要求逐年提高，以凭借下一版更快、更小、噪声更低、效率更高的产品与对手竞争。在选择“更好的”POL 稳压器时，更高的功率密度数值是决定性因素吗? 我们从如下几个方面来考虑这个问题。

首先，把功率密度数值放在一边，研究一下 POL 稳压器的数据表。找到热量降额曲线。描述详尽的 POL 稳压器数据表应该有很多这类曲线，分别规定了不同输入电压、输出电压和气流速度时的输出电流、输出电压和气流速度。换句话说，这样的数据表应该显示在具体电路条件下 POL 稳压器的输出电流能力，这样设计师才能够根据稳压器的热量和负载电流能力判断其是否适用。稳压器是否满足系统的典型和最高环境温度及气流速度要求? 请记住，输出电流降额与器件的热性能有关。这两个因素密切相关，同等重要。

其次是效率，效率问题不在第一位，而是在第二位。单提效率会产生误导，仅用效率来表述一个 DC/DC 稳压器的热特性是不准确的。还需要计算输入电流和负载电流、输入功耗、功耗、结温 ... 等等。不过，为了更好地说明问题，应该在考虑输出电流降额以及其他与器件及其封装有关之热量数据的同时，研究效率数值。例如，一个效率为 98% 的 DC/DC 降压型转换器会给人留下极其深刻的印象。更加令人赞叹的是，这款转换器还声称具备出色的功率密度数值。你会不会买这个器件?

一位老道的工程师应该问问 2% 的效率损失有什么影响。这种效率损失是怎样转换成封装温度上升的? 这种高功率密度和高效率稳压器在 60°C 环境温度和 200LFM 气流时结温是多少? 要突破 25°C 室温时的典型数值来思考问题。在 40°C、85°C 或 125°C 的极端温度时测得的最大值和最小值是多少? 如果封装热阻过高、结温上升到安全工作温度范围以外时怎么办? 如果这款昂贵的稳压器必须降额到很低的输出电流值，那么会不会因输出功率能力减弱而使该器件的高价格不再合理?

最后一个需要考虑的因素是这款 POL 稳压器是否易于冷却。数据表中提供的封装热阻值是仿真和计算该器件的结温、环境温度以及外壳温度上升的关键数据。由于表面贴装封装的大部分热量都是从封装底部扩散到 PCB，所以数据表中必须明确说明布局指导原则和各种热量测量条件及方法，以免在后续形成系统原型时出现意外。

设计良好的封装应该能够高效率地通过所有封装表面均匀散热，以消除热量集中问题和热点，这些问题会降低 POL 稳压器的可靠性，应该消除或减轻。如之前所述，PCB 负责吸收表面贴装 POL 稳压器的热量并提供散热途径，不过，在如今密集、复杂的系统中，气流是很常见，因此一种设计思路更加聪明的 POL 稳压器利用了这种“免费”冷却机会，用来去除 MOSFET 、电感器等发热组件产生的热量。

将热量从封装内部引导到封装顶部并扩散到空气中

大功率开关 POL 稳压器靠电感器或变压器将输入电源电压转换成稳定的输出电压。非隔离式降压型 POL 稳压器使用一个电感器，该电感器以及 MOSFET 等伴随的开关组件在 DC/DC 转换时产生热量。大约 10 年前，由于封装技术的进步，包括磁性组件在内的整个 DC/DC 稳压器电路可以装入一个模制塑料封装中，称为模块或 SiP，模制塑料封装内部产生的大部分热量必须从封装底部引导到 PCB。提高封装散热能力的任何传统方法都会导致封装变大，例如在表面贴装封装顶部附着一个散热器。

不过，3 年前出现了一种创新性模块封装方法，该方法利用可用气流实现器件冷却。散热器集成到模块封装内部，是完全模制的。该散热器形状独特，一端在封装内连接到发热源 MOSFET 和电感器，另一端是一个平坦的表面，暴露于封装顶部。凭借这种新型封装和内置散热器技术，器件可以在某些气流的作用下快速冷却，因为在封装顶部，平坦的散热器表面与空气接触，空气可以从封装顶部带走热量 (参见 TechClip 视频中的 LTM4620 数据表)。另一种提高大功率 POL 稳压器热性能的封装理念又将这种方法向前推进了一步。

以叠置电感器作为散热器的 POL 模块型稳压器

POL 稳压器中电感器的大小取决于很多因素，其中包括电压、开关频率、需处理的电流及其结构。采取模块化方法时，包括电感器的 DC/DC 电路是完全模制的，密封在一种塑料封装中，看起来就像一个 IC 一样，电感器的大小决定封装的厚度、体积和重量。电感器还是个发热组件，提高了 POL 模块型稳压器的内部总体温度。之前讨论的方法，即在封装中集成散热器以将 MOSFET 和电感器的热量传导到封装顶部，这是非常有用的，可以将封装内部的热量从封装顶部快速传递到封装外部，并最终传递到空气中，这种散热器是一种冷却板或称无源散热器。不过，这种方法适用于尺寸和电流都较小的电感器，这种电感器很容易放入塑料模制封装中。功率较大的 POL 稳压器需要使用尺寸和电流都较大的电感器，将这样的磁性组件放入封装中，会使电路的其他组件被挤到旁边，因此增大了封装在 PCB 上占用的面积。较大的占板面积意味着较重的封装。为了保持较小的占板面积，并进一步改进散热，封装工程师已经开发出另一种方法：垂直、叠置或  封装 (图 1)。




图 1：用于大功率 POL 稳压器模块的 3D 或垂直封装技术升高了电感器放置位置，将其作为散热器裸露于气流中。DC/DC 电路的其余部分安装在电感器下面的衬底中，以使封装占用较小的 PCB 面积，并提高其热性能。

Model Construction without Mold：未模制的模型结构
High Current Carrying Paths to Power Inductor：进入功率电感器的大电流通路
More Effective Use of Substrate Copper for both Lower Impedance Board Connections and Better Thermals：更有效地用铜衬底降低电路板连接阻抗并改进散热
Topside Heat Sinking Utilizing Power Inductor：将功率电感器放置在封装顶部起散热作用
POWER INDUCTOR：功率电感器
AIRFLOW：气流
Excellent Thermal Conduction：出色的热传导

具裸露叠置电感器的 3D 封装：占板面积很小、功率提高、散热性能改善

采用 3D 封装这种构造 POL 稳压器的新方法，可以同时获得 PCB占板面积很小、功率更大、热性能更高这 3 个优点 (图 1 和图 2)。LTM4636 是一款μModule  (微型模块) 稳压器，具内置 DC/DC 稳压器 IC、MOSFET、支持性电路以及一个大的电感器，可降低输出纹波，提供高达 40A 的负载电流，并从 12V 输入提供精确稳定的 3.3V 至 0.6V 输出电压。4 个 LTM4636 器件可以均分电流，以提供 160A 负载电流。该器件的占板面积为仅为 16mm x 16mm。如果计算一下，功率密度是非常高的。不过，要记得不要被数字愚弄。对系统设计师而言，这款 μModule 稳压器的好处是热性能，以及令人印象深刻的 DC/DC 转换效率和散热能力。





图 2：LTM4636 用叠置电感器作为散热器，以很小的占板面积实现了令人印象深刻的热性能

为了保持很小的占板面积 (16mm x 16mm BGA)，占板面积很大的电感器升高了放置位置，并固定在两个铜线框之上，以便其余电路组件 (二极管、电阻器、MOSFET、电容器、DC/DC IC) 能够焊接在电感器下面的衬底上。如果电感器放置在衬底上，那么 μModule 稳压器可能很容易就占用超过 1225 平方毫米的 PCB 面积，而不是现在的 256 平方毫米。这种方法使系统设计师能够设计出更加紧凑的 POL 稳压器布局，不过该方法还有一个非常大的好处，它可实现良好的热性能。

LTM4636 中的叠置电感器不是与塑料封装一起模制 (密封) 的。其余组件则是模制的。电感器有圆滑的边角且结构体是升高的，便于裸露于空气中，空气更容易在其周围和上部流动 (流动阻力最小)。

数值中反映出的事实：40A LTM4636 的热性能和效率

LTM4636 是一款 40A  μModule 稳压器，采用 3D 封装技术，也称为 Component-on-Package (CoP，图 2)。该器件采用完全模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封装。加上叠置在模制封装顶部的电感器，LTM4636 的总体封装高度即从 BGA 焊锡球(144 个) 底部到电感器顶部的高度为 7.16mm。

除了从顶部散热，LTM4636 还可以高效率地将热量从封装底部传递到 PCB。该器件有 144 个 BGA 焊锡球，这些焊锡球成排成排地连接到有大电流流过的 GND、VIN 和 VOUT。这些焊锡球合起来充当向 PCB 传递热量的散热器。LTM4636 为从封装顶部和底部散热而进行了优化。

在 12VIN、1VOUT、40A (40W) 满负载电流和标准 200LFM 气流时，LTM4636 的温度仅比环境温度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。图 3 显示了 LTM4636 在上述条件时的热像。接下来的图 4 显示了降额数值。在 200LFM 时，LTM4636 在环境温度高达 83°C时提供 40A 最大电流。在环境温度高达 110°C 时，可以提供最大电流的一半 (即 20A)。这意味着，有气流时，LTM4636 提供负载电流的能力受环境温度的影响较小。



图 3：在 40W 时温度仅上升 40°C (12VIN 至 1VOUT，40A, 200LFM 气流)


图 4：200LFM、83°C 环境温度时提供 40A 最大电流

OUTPUT CURRENT：输出电流
AMBIENT TEMPERATURE：环境温度

MOSFET 性能最佳以及 DC/DC 控制器强大的驱动器是 LTM4636 转换效率很高的原因。以下是对 12Vin 电源进行降压转换的一些数字：3.3V、25A 时效率为 95%，1.8V、40A 时效率为 93%，1V、40A 时效率为 88%。图 5 总结了从 12Vin 转换到 1Vout 至 3.3Vout 的效率数字。


图 5：从 12VIN 转换到各种输出电压时，DC/DC 转换具有高效率

EFFICIENCY：效率
OUTPUT CURRENT：输出电流

具热平衡能力的 160W、可扩展 4 x 40A  μModule  POL 稳压器

一个 LTM4636 的负载电流额定值是 40A。两个采用电流均分模式 (或并联) 的 LTM4636 提供 80A 电流，4 个 LTM4636 则提供 160A 电流 (图 6 和图 7)。LTM4636 的电流模式架构允许在多个 40A 模块之间准确均分电流。准确的电流均分又允许在两个、3 个或 4 个并联器件之间平衡散热 (图 6 和图 7)。由于这种平衡散热能力，所以没有哪一个器件会过载或过热。这种器件的另一个特点是能够异相运行，以降低输出和输入纹波电流，纹波电流降低又有助于减少输入和输出电容器数量。例如，4 个 LTM4636 以 90° 相差运行 (360° ÷ 4)。该器件还提供时钟和相位控制功能。此外，增大功率时所需布局工作很简单，只需复制和粘贴占板面积即可 (符号和占板面积可用)。


图 6：精确电流均分使 4 个并联 LTM4636 能够平衡散热，在 12VIN、1VOUT、160A、400LFM 时，温度仅上升 40°C

FOUR PARALLEL MODULES AT 160A 40°C RISE：4 个并联模块，160A 电流，温度上升 40°C
Balanced Thermals Equate to Good Current Sharing and Thermal Design：良好的电流均分和热设计等于平衡散热



                  

图 7：4 个并联 LTM4636 每个都具精确电流均分能力和高效率，12VIN 至 0.9VOUT，160A

PER MODULE CURRENT：每模块电流
ACCURACY：准确度
TOTAL OUTPUT CURRENT：总输出电流
EFFICIENCY：效率
LOAD CURRENT：负载电流

结论

为组件密集排列的系统选择 POL 稳压器需要仔细考虑器件电压和电流额定值以外的因素。评估封装的热特性是必不可少的步骤，因为该特性决定了设备的冷却成本、PCB 成本和尺寸。3D 封装方法，又称为叠置、垂直、CoP 封装方法，允许大功率 POL 模块型稳压器占用很小的 PCB 面积，不过更重要的是，允许高效率散热。LTM4636 系列是第一个受益于这种叠置封装技术的 μModule 稳压器系列。LTM4636 是一款以叠置电感器作为散热器的 40A POL  μModule 稳压器，效率为 95% 至 88%，工作时温度仅上升 40°C，且仅占用 16mm x 16mm PCB 面积。

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