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年夜功率、可扩年夜、封装占板面积很小、发生热量更少的POL 稳压器曾经泛起

宣布时间:2017年08月16日 16:08    宣布者:eechina
要害词: POL , 稳压器 , DC-DC
经由历程 3D 封装架构和聪慧的组件放置要领处置赏罚赏罚了热量效果

作者:凌力尔特公司 (现隶属 Analog Devices 公司) 微型模块电源产物部营业部司理Afshin Odabaee

下面将要陈述的一些现实一定会让 DC/DC IC 及电路设计师不快,不外,真内情形是,这些效果明天比几年前加倍显着。虽然这些设计师脑力强年夜,知晓设计艺术和设计学,具有富厚履历,可以闇练玩弄波德图 (Bode plot)、麦克斯韦方程 (Maxwell’s equations) 和零极点,能够设计出细腻的 DC/DC 转换器电路,然则 IC 设计师经常关于最后一个恐怖的物理难题:热量。这原来是封装工程师的事儿。现在,封装工程师对 DC/DC POL (负载点) 稳压器热性能的影响要比以往年夜许多,特殊是那些年夜功率、小封装稳压器。

POL 稳压器之以是发生热量,是由于没有电压转换效力能够到达 100%。这样一来就发生了一个效果,由封装结构、结构和热阻招致的热量会有多年夜? 封装的热阻不只前进 POL 稳压器的温度,还前进 PCB 及周围组件的温度,并使得系统散热设计加倍严重年夜。

组件装配到 PCB 上以后,扫除封装发生的热量主要有两种措施:

1)        接纳外面贴装要领时,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,或许更准确地说,热量被转到达与封装顶部外面接触、温度更低、快速运动的空气分子中。

虽然,尚有一些无源和有源散热措施,为议论辩说轻盈起见,我们将这些措施一切归入上述第二个种别。是以,从热量治理的角度来看,要保持网罗 DC/DC POL 稳压器在内的一切系统在安然的温度规模内运转,更多铜质 PCB 层、更年夜的 PCB 面积、更厚的 PCB 层、在 PCB 上疏散摆放组件、更年夜和转速更快的风扇等都是好主意。好主意是好主意,不外对小型、年夜功率 POL 稳压器阻拦热量治理时,能否尚有其他有助的措施?

虽然上述某些或一切措施对限制系统热量都很有用,然则接纳这些散热措施或许会使系统或事实产物掉落去竞争优势。事实产物 (例如路由器) 能够由于居心在 PCB 上扩年夜组件之间的距离而变得太年夜,由于风扇数目增添平和流快速收支发烧的电路而招致可听的噪声增年夜,这些因素事实或许会使事实产物成为市场上的下等品,由于为了在竞争中胜出,各公司都赓续在紧凑性、盘算才干、数据传输速率、效力、冷却资源等方面做出刷新。28nm、20nm 和低于 20nm 的数字器件供应更高性能,但功耗更年夜,而装备供应商则在仰仗更快、更小、噪声更低、效力更高的创新相互比拼。新型数字手艺才干超群、令人振奋,但眼前依然存在模拟和电源手艺角力,以在封装更小的情形下供应更年夜功率,同时最年夜限制减小对系统全体温度的影响。具有较高功率密度的 POL 稳压器似乎是一个不错的选择:这类稳压器尺寸较小,但功率较年夜。

经由历程功率密度数值断定 POL 稳压器能否合适是 …… 对内行而言

每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 稳压器应当好过每平方厘米 30W 的稳压器。发卖商应用功率密度优势发卖产物,系统设计师对稳压器功率密度的请求逐年前进,以仰仗下一版更快、更小、噪声更低、效力更高的产物与对手竞争。在选择“更好的”POL 稳压器时,更高的功率密度数值是决议性因素吗? 我们从以下几个方面来推敲这个效果。

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。形貌详实的 POL 稳压器数据表应当有许多这类曲线,划分划定了不合输入电压、输入电压平和流速率时的输入电流、输入电压平和流速率。换句话说,这样的数据表应当显示在详细电路条件下 POL 稳压器的输入电流才干,这样设计师才干够凭证稳压器的热量和负载电流才干断定其能否适用。稳压器能否知足系统的尺度和最高情形温度及气流速率请求? 请记着,输入电流降额与器件的热性能有关。这两个因素亲近相关,不合主要。

其次是效力,效力效果不在第一名,而是在第二位。单提效力会发生误导,仅用效力来表述一个 DC/DC 稳压器的热特点是不准确的。还须要盘算输入电流和负载电流、输入功耗、功耗、结温 ... 等等。不外,为了更好地诠释效果,应当在推敲输入电流降额和其他与器件及其封装有关之热量数据的同时,研究效力数值。例如,一个效力为 98% 的 DC/DC 降压型转换器会给人留下极端深刻的印象。加倍令人赞美的是,这款转换器还撒播张扬具有精彩的功率密度数值。你会不会买这个器件?

一名老道的工程师应当问问 2% 的效力损掉落有甚么影响。这类效力损掉落是怎样转换成封装温度上升的? 这类高功率密度和高效力稳压器在 60°C 情形温度和 200LFM 气流时结温是若干? 冲要破 25°C 室温时的尺度数值来思虑效果。在 40°C、85°C 或 125°C 的极端温度时测得的最年夜值和最小值是若干? 假定封装热阻太高、结温上升到安然使命温度规模以外时怎样办? 假定这款昂贵的稳压器必须降额到很低的输入电流值,那么会不会因输入功率才干削弱而使该器件的低价钱不再公正?

最后一个须要推敲的因素是这款 POL 稳压器能否易于冷却。数据表中供应的封装热阻值是仿真和盘算该器件的结温、情形温度和外壳温度上升的要害数据。由于外面贴装封装的年夜部门热量都是从封装底部门散到 PCB,以是数据表中必须明确诠释结构指导准绳和种种热量丈量条件及措施,以阻拦在后续组成系统原型时泛起意外。

设计优胜的封装应当能够高效力地经由历程一切封装外面匀称散热,以扫除热量集中效果和热门,这些效果会降低 POL 稳压器的可靠性,应当扫除或减轻。如之前所述,PCB 担负吸收外面贴装 POL 稳压器的热量并供应散热门路,不外,在现在辘集、严重年夜的系统中,气流是很有数,是以一种设计思绪加倍聪慧的 POL 稳压器应用了这类“收费”冷却时机,用来往来往除 MOSFET电感器等发烧组件发生的热量。

将热量从封装外部指导到封装顶部并疏散到空气中

年夜功率开关 POL 稳压器靠电感器或变压器将输入电源电压转换成稳固的输入电压。非隔离式降压型 POL 稳压器应用一个电感器,该电感器和 MOSFET 等陪同的开关组件在 DC/DC 转换时发生热量。年夜约 10 年前,由于封装手艺的前进,网罗磁性组件在内的一切 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,模制塑料封装外部发生的年夜部门热量必须从封装底部指导到 PCB。前进封装散热才干的任何传统措施都邑招致封装变年夜,例如在外面贴装封装顶部附着一个散热器。

不外,3 年前泛起了一种创新性模块封装措施,该措施应用可用气流完成器件冷却。散热器集成到模块封装外部,是完全模制的。该散热器形状希奇,一端在封装内毗连到发烧源 MOSFET 和电感器,此外一端是一个平展的外面,裸露于封装顶部。仰仗这类新型封装和内置散热器手艺,器件可以在某些气流的作用下快速冷却,由于在封装顶部,平展的散热器外面与空气接触,空气可以从封装顶部带走热量 (参见 TechClip 视频中的 LTM4620 数据表)。此外一种前进年夜功率 POL 稳压器热性能的封装理念又将这类措施向前推动了一步。

以叠置电感器作为散热器的 POL 模块型稳压器

POL 稳压器中电感器的年夜小取决于许多因素,其中网罗电压、开关频率、需处置赏罚赏罚的电流及其结构。接纳模块化措施时,网罗电感器的 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,电感器的年夜小决议封装的厚度、体积和重量。电感器照样个发烧组件,前进了 POL 模块型稳压器的外部全体温度。之前议论辩说的措施,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,这是异常有用的,可以将封装外部的热量从封装顶部快速转到达封装外部,并事实转到达空气中,这类散热器是一种冷却板或称无源散热器。不外,这类措施适用于尺寸和电流都较小的电感器,这类电感器很容易放入塑料模制封装中。功率较年夜的 POL 稳压器须要应用尺寸和电流都较年夜的电感器,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,是以增年夜了封装在 PCB 上占用的面积。较年夜的占板面积意味着较重的封装。为了保持较小的占板面积,并进一步刷新散热,封装工程师曾经开发出此外一种措施:垂直、叠置或 3D 封装 (图 1)。

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图 1:用于年夜功率 POL 稳压器模块的 3D 或垂直封装手艺降低了电感器放置职位,将其作为散热器裸露于气流中。DC/DC 电路的其他部门装配在电感器下面的衬底中,以使封装占用较小的 PCB 面积,并前进其热性能。

Model Construction without Mold:未模制的模子结构
High Current Carrying Paths to Power Inductor:进入功率电感器的年夜电流通路
More Effective Use of Substrate Copper for both Lower Impedance Board Connections and Better Thermals:更有用地用铜衬底降低电路板毗连阻抗并刷新散热
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:精彩的热传导

具裸露叠置电感器的 3D 封装:占板面积很小、功率前进、散热性能刷新

接纳 3D 封装这类结构 POL 稳压器的新措施,可以同时取得 PCB占板面积很小、功率更年夜、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、支持性电路和一个年夜的电感器,可降低输入纹波,供应高达 40A 的负载电流,并从 12V 输入供应准确稳固的 3.3V 至 0.6V 输入电压。4 个 LTM4636 器件可以均分电流,以供应 160A 负载电流。该器件的占板面积为仅为 16mm x 16mm。假定盘算一下,功率密度是异常高的。不外,要记得不要被数字玩弄。对系统设计师而言,这款 μModule 稳压器的利益是热性能,和令人印象深刻的 DC/DC 转换效力和散热才干。

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图 2:LTM4636 用叠置电感器作为散热器,以很小的占板面积完成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),占板面积很年夜的电感器降低了放置职位,并结着实两个铜线框之上,以便其他电路组件 (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。假定电感器放置在衬底上,那么 μModule 稳压器能够很容易就占用逾越 1225 平方毫米的 PCB 面积,而不是现在的 256 平方毫米。这类措施使系统设计师能够设计出加倍紧凑的 POL 稳压器结构,不外该措施尚有一个异常年夜的利益,它可完成优胜的热性能。

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

数值中反映出的现实:40A LTM4636 的热性能和效力

LTM4636 是一款 40A  μModule 稳压器,接纳 3D 封装手艺,也称为 Component-on-Package (CoP,图 2)。该器件接纳完全模制的 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 的全体封装高度即从 BGA 焊锡球(144 个) 底部到电感器顶部的高度为 7.16mm。

除从顶部散热,LTM4636 还可以高效力地将热量从封装底部转到达 PCB。该器件有 144 个 BGA 焊锡球,这些焊锡球成排成排地毗连到有年夜电流流过的 GND、VIN 和 VOUT。这些焊锡球合起来充当向 PCB 转达热量的散热器。LTM4636 为从封装顶部和底部散热而阻拦了优化。

在 12VIN、1VOUT、40A (40W) 满负载电流和尺度 200LFM 气流时,LTM4636 的温度仅比情形温度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。图 3 显示了 LTM4636 在上述条件时的热像。接上去的图 4 显示了降额数值。在 200LFM 时,LTM4636 在情形温度高达 83°C时供应 40A 最年夜电流。在情形温度高达 110°C 时,可以供应最年夜电流的一半 (即 20A)。这意味着,有气流时,LTM4636 供应负载电流的才干受情形温度的影响较小。

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

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图 4:200LFM、83°C 情形温度时供应 40A 最年夜电流

OUTPUT CURRENT:输入电流
AMBIENT TEMPERATURE:情形温度

MOSFET 性能最好和 DC/DC 控制器强年夜的驱动器是 LTM4636 转换效力很高的启事。以下是对 12Vin 电源阻拦降压转换的一些数字:3.3V、25A 时效力为 95%,1.8V、40A 时效力为 93%,1V、40A 时效力为 88%。图 5 总结了从 12Vin 转换到 1Vout 至 3.3Vout 的效力数字。

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图 5:从 12VIN 转换到种种输入电压时,DC/DC 转换具有高效力

EFFICIENCY:效力
OUTPUT CURRENT:输入电流

具热平衡才干的 160W、可扩年夜 4 x 40A  μModule  POL 稳压器

一个 LTM4636 的负载电流特殊值是 40A。两个接纳电流均分形式 (或并联) 的 LTM4636 供应 80A 电流,4 个 LTM4636 则供应 160A 电流 (图 6 和图 7)。LTM4636 的电流形式架构允许在多个 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)。由于这类平衡散热才干,以是没有哪个器件会过载或过热。这类器件的此外一个特点是能够异相运转,以降低输入和输入纹波电流,纹波电流降低又有助于增添输入和输入电容器数目。例如,4 个 LTM4636 以 90° 相差运转 (360° ÷ 4)。该器件还供应时钟和相位控制功效。此外,增年夜功率时所需结构使命很质朴,只需复制和粘贴占板面积便可 (符号和占板面积可用)。

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图 6:准确电流均分使 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:优胜的电流均分和热设计即是平衡散热

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图 7:4 个并联 LTM4636 每个都具准确电流均分才干和高效力,12VIN 至 0.9VOUT,160A

PER MODULE CURRENT:每模块电流
ACCURACY:准确度
TOTAL OUTPUT CURRENT:总输入电流
EFFICIENCY:效力
LOAD CURRENT:负载电流

结论

为组件辘集排列的系统选择 POL 稳压器须要仔细推敲器件电压和电流特殊值以外的因素。评价封装的热特点是必弗成少的法式模范,由于该特点决议了装备的冷却资源、PCB 资源和尺寸。3D 封装措施,又称为叠置、垂直、CoP 封装措施,允许年夜功率 POL 模块型稳压器占用很小的 PCB 面积,不外更主要的是,允许高效力散热。LTM4636 系列是第一个受益于这类叠置封装手艺的 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,效力为 95% 至 88%,使命时温度仅上升 40°C,且仅占用 16mm x 16mm PCB 面积。如需不雅不雅看简介 LTM4636 的视频,请会见:。

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