從事高效,、緊湊式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)藝術(shù)的是一群精英工程師，他們對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)相關(guān)物理學(xué)原理和相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)有著深入的理解,，還擁有豐富的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn),。憑借對(duì)波特圖、麥克斯韋方程組以及極點(diǎn)和零點(diǎn)的深入理解,，他們可以打造出優(yōu)雅的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì),。然而，IC設(shè)計(jì)師通常會(huì)回避棘手的散熱問題--這項(xiàng)工作通常屬于封裝工程師的職責(zé)范圍,。
在負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器中,，專用IC之間的空間有限，因此散熱是個(gè)大問題,。POL調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生熱量,，因?yàn)椋壳埃┻€沒有電壓轉(zhuǎn)換的效率能達(dá)到100%。受結(jié)構(gòu),、布局和熱阻影響,，封裝會(huì)變得多熱？封裝的熱阻不僅會(huì)提高POL調(diào)節(jié)器的溫度,，還會(huì)增加PCB及周圍組件的溫度,，因而會(huì)增加系統(tǒng)散熱機(jī)制的復(fù)雜性、尺寸和成本,。
PCB上的DC-DC轉(zhuǎn)換器封裝主要有兩種散熱方式：
通過PCB散熱：
如果轉(zhuǎn)換器IC采用表貼封裝,，則PCB上的導(dǎo)熱性銅通孔和隔層會(huì)從封裝底部散熱。如果封裝對(duì)PCB的熱阻很低,，采用這種散熱方式足矣,。
增加氣流：
利用冷氣流去除封裝的熱量（更準(zhǔn)確地說，熱量被轉(zhuǎn)移到與封裝表面接觸的快速運(yùn)動(dòng)的較冷空氣分子中）,。
當(dāng)然還有被動(dòng)式散熱法和主動(dòng)式散熱方法,，但為簡(jiǎn)化討論，我們將它們視為第二類的子集,。
面對(duì)上升的組件溫度,，PCB設(shè)計(jì)師可以從標(biāo)準(zhǔn)散熱工具箱里去找常用的工具，比如增加銅,，加裝散熱器,，使用更大、更快的風(fēng)扇,，也可以簡(jiǎn)單地增加空間--使用更多PCB空間,，增加PCB上組件之間的距離，或者增加PCB層的厚度。
任何這些工具都可以用在PCB上,，使系統(tǒng)溫度維持在安全限值以內(nèi),，但是使用這些補(bǔ)救措施會(huì)降低最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品（如路由器）可能需要使用更大的外殼,，才能在PCB上為組件留出必要的間隔空間,；如果加裝速度更快的風(fēng)扇以增加氣流，結(jié)果可能會(huì)增加噪聲,。這可能會(huì)使最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上失去優(yōu)勢(shì),，因?yàn)槠髽I(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在緊湊性、計(jì)算能力,、數(shù)據(jù)速率,、效率和成本等方面。
要在高功耗POL調(diào)節(jié)器周圍成功實(shí)現(xiàn)散熱管理,，就需要選擇正確的調(diào)節(jié)器,，而這又要求進(jìn)行仔細(xì)的研究。本文將展示如何通過選擇正確的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)師的工作,。
切勿僅憑功率密度來判斷POL調(diào)節(jié)器
市場(chǎng)上有多種因素要求我們完善電子設(shè)備的散熱性能,。最為明顯的是，即使產(chǎn)品尺寸不斷縮小,，性能也會(huì)持續(xù)提升,。例如，28 nm至20 nm和亞20 nm級(jí)的數(shù)字器件需要較大功耗才能達(dá)到性能要求,，因?yàn)閯?chuàng)新設(shè)備設(shè)計(jì)師要用這些小型工藝生產(chǎn)更快、更小,、更安靜,、更高效的器件。從這一趨勢(shì)可以得出的明顯結(jié)論是POL調(diào)節(jié)器必須提高功率密度：(功率)/(體積)或(功率)/(面積),。
不足為奇的是,，在有關(guān)調(diào)節(jié)器的文獻(xiàn)中，功率密度一般被當(dāng)作一項(xiàng)重要指標(biāo),。較大的功率密度可使調(diào)節(jié)器脫穎而出--當(dāng)設(shè)計(jì)師從眾多調(diào)節(jié)器中進(jìn)行選擇時(shí)可以作為參考指標(biāo),。40 W/cm2 POL的調(diào)節(jié)器必然優(yōu)于30 W/cm2的調(diào)節(jié)器。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)師想把更高的功率塞進(jìn)更緊湊的空間中--乍一看,，超高的功率密度數(shù)值似乎是實(shí)現(xiàn)最快,、最小、最安靜,、最高效的產(chǎn)品的最佳途徑,，就如用馬力比較汽車性能一樣。但是,，功率密度在實(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計(jì)方面到底有多重要,？可能不如你想像的重要,。
POL調(diào)節(jié)器必須符合其應(yīng)用的要求。選擇POL調(diào)節(jié)器時(shí),，必須確保其具備在PCB上完成任務(wù)的能力,，因?yàn)闊崃刻幚砑瓤赡艹删蛻?yīng)用，也可能毀掉應(yīng)用,。以下是針對(duì)POL調(diào)節(jié)器的逐步選擇流程建議,，其中突出了熱性能的重要性：
忽略功率密度數(shù)值：
功率密度指標(biāo)忽略了熱衰減問題，但該問題對(duì)真實(shí)有效功率密度的影響要大得多,。
檢查調(diào)節(jié)器的熱衰減曲線：
配有完整文檔并且技術(shù)指標(biāo)齊全的POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該配有對(duì)應(yīng)的圖形,，其中標(biāo)示了不同輸入電壓、輸出電壓和風(fēng)速下的輸出電流,。數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)該展示POL調(diào)節(jié)器在真實(shí)工作條件下的輸出電流能力,，以便從熱性能和負(fù)載電流性能的角度判斷調(diào)節(jié)器的適用性。是否符合系統(tǒng)的典型和最大環(huán)境溫度和風(fēng)速要求,？記住,，輸出電流熱衰減與器件的熱性能相關(guān)。二者密切相關(guān),，同等重要,。
效率考慮
是的，效率不是第一考慮因素,。獨(dú)立使用時(shí),，效率結(jié)果可能無法準(zhǔn)確體現(xiàn)DC-DC調(diào)節(jié)器的熱特性。當(dāng)然,，效率值對(duì)于計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流,、輸入功耗、功率損耗和結(jié)溫是必不可少的,。效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關(guān)的其他熱數(shù)據(jù)結(jié)合使用,。
例如，效率為98%的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器是非常不錯(cuò)的,；如果它的功率密度值也非常出色,，無異于錦上添花。與效率更低,、功率密度更低的調(diào)節(jié)器相比,，你會(huì)買它嗎？精明的工程師應(yīng)該問問看似不重要的2%效率損失有什么影響,。在運(yùn)行過程中,，這些功耗會(huì)對(duì)封裝溫度的升高產(chǎn)生什么樣的影響？在60°C環(huán)境溫度以及200 LFM（線性英尺/分）的風(fēng)速下，高功率密度型高效調(diào)節(jié)器的結(jié)溫有多高,？不要只看25°C室溫下的典型值,。極溫下的最大值和最小值是多少：?40°C、+85°C或+125°C,？高功率密度下,，封裝熱阻會(huì)升高到非常高的水平使結(jié)溫快速超過安全工作溫度嗎？效率很高但價(jià)格昂貴的調(diào)節(jié)器要求多少衰減,？衰減輸出電流值會(huì)不會(huì)削弱輸出功率性能,，從而使器件的額外成本失去意義？
考慮POL調(diào)節(jié)器冷卻的便利性：
數(shù)據(jù)手冊(cè)中的封裝熱阻值是模擬和計(jì)算器件結(jié)溫,、環(huán)境溫度和外殼溫度的關(guān)鍵,。由于表貼式封裝中會(huì)有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板，所以,，必須在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明有關(guān)熱量測(cè)量的布局指引和討論結(jié)果,，以減少系統(tǒng)原型開發(fā)過程出現(xiàn)的突發(fā)情況。
設(shè)計(jì)精良的封裝應(yīng)該通過表面高效,、均勻地散熱,，從而消除可能導(dǎo)致POL調(diào)節(jié)器性能出現(xiàn)衰減的熱點(diǎn)。如上所述,，PCB負(fù)責(zé)吸收和路由來自表貼式POL調(diào)節(jié)器的大部分熱量,。隨著強(qiáng)制氣流散熱方式在當(dāng)今的高密度和高復(fù)雜度的系統(tǒng)中日漸流行，設(shè)計(jì)精良的POL調(diào)節(jié)器也應(yīng)該利用這一免費(fèi)的冷卻機(jī)會(huì),，為MOSFET,、電感等發(fā)熱部件散熱。
把熱量從封裝頂部引至空氣中
高功率開關(guān)POL調(diào)節(jié)器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出電壓,。在非隔離式降壓POL調(diào)節(jié)器中,，器件采用電感。電感和相關(guān)開關(guān)元件（如MOSFET）在DC-DC轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,。
大約十年前，封裝技術(shù)取得顯著進(jìn)步,，使得包括磁體在內(nèi)的整個(gè)DC-DC調(diào)節(jié)器電路均可被設(shè)計(jì)和安裝在稱為模塊或SiP的超模壓塑封裝中,。在該超模壓塑封裝中，產(chǎn)生的大部分熱量都被通過封裝底部路由至PCB,。試圖改善封裝散熱能力的任何常規(guī)做法（比如在表貼封裝頂部加裝一個(gè)散熱器）都會(huì)增大封裝尺寸,。
幾年前，一種新型模塊封裝技術(shù)被開發(fā)出來,，利用氣流輔助冷卻,。在該封裝設(shè)計(jì)中，一個(gè)散熱器被集成到模塊封裝當(dāng)中并經(jīng)嵌件注塑處理。在封裝內(nèi)部,，散熱器底部直接連接MOSFET和電感,，散熱器的頂面則是一個(gè)平面，裸露在封裝頂部,。借助這種新型封裝內(nèi)散熱技術(shù),，用氣流即可使器件快速冷卻下來（有關(guān)示例，請(qǐng)點(diǎn)擊此處,，觀看LTM4620 TechClip視頻）,。
采用垂直模式：以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調(diào)節(jié)器
POL調(diào)節(jié)器中的電感的大小取決于電壓、開關(guān)頻率,、電流處理性能及其結(jié)構(gòu),。在模塊化設(shè)計(jì)中，DC-DC電路（包括電感）被超模壓塑并密封在塑料封裝中,，與IC類似,；電感而非任何其他組件決定封裝的厚度、體積和重量,。電感也是一個(gè)重要的熱源,。
把散熱器集成到封裝中有助于將來自MOSFET和電感的熱量傳導(dǎo)至封裝頂部，從而散發(fā)到空氣,、冷板或無源散熱器中,。在可以輕松將較小的低電流電感裝進(jìn)封裝塑料模具材料的情況下，這種技術(shù)非常有效,；但在POL調(diào)節(jié)器需要采用大型高電流電感的情況下,，由于要把磁體裝進(jìn)封裝就必須擴(kuò)大其他電路組件的間距，會(huì)大幅增大封裝PCB占位面積,，所以其有效性會(huì)大打折扣,。為了既保持較小的占位面積又改進(jìn)散熱性能，封裝工程師開發(fā)了另一種技術(shù)--垂直,、堆?；蚍Q3D（圖1）。
Copper Clips Provide High Current Paths to Inductor While Elevating It Above the Substrate, Reducing Layout Area Required for the μModule Package
銅夾片為電感提供高電流路徑,，同時(shí)將電感提升至襯底上方,，減少μModule封裝所需布局面積
Inductor on Top of the Molded μModule Package Is Exposed to Airflow, Acting as a Heat Sink to Remove Heat from the Top
壓塑成型μModule封裝頂部的電感暴露于氣流下，充當(dāng)頂部熱量的散熱器
144 BGA Solder Balls with Banks Dedicated to GND, VIN, and VOUT; Collectively, These Solder Balls Act as a Heat Sink to the PCB
144個(gè)BGA焊球,，帶GND,、VIN和VOUT專用庫這些焊球共同充當(dāng)PCB的散熱器
Copper in Substrate Helps Lower Both Electrical and Thermal Impedance
襯底中的銅有助于降低電阻和熱阻
圖1.高功率POL調(diào)節(jié)器模塊運(yùn)用3D（垂直）封裝技術(shù)升高電感位置并使電感作為散熱器暴露在氣流下。剩下的DC-DC電路裝配在電感下方的襯底上,，既能減少需要的PCB面積,，又能改善熱性能,。
采用裸露堆疊式電感的3D封裝：保持較小的占位面積，提高功率,，完善散熱
較小的PCB占位面積,、更高的功率和更好的散熱性能--有了3D封裝（一種新型POL調(diào)節(jié)器構(gòu)造方法，見圖1）,，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo),。LTM4636是一款μModule?調(diào)節(jié)器，板載DC-DC調(diào)節(jié)器IC,、MOSFET,、支持電路和一個(gè)大型電感，可減少輸出紋波,，提供最高40 A的負(fù)載電流,，輸入電壓為12 V，精密調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為0.6 V至3.3 V,。4個(gè)LTM4636器件并聯(lián)可以通過電流共享方式提供160 A的負(fù)載電流,。封裝的占位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調(diào)節(jié)器LTM4636-1,，可以檢測(cè)過溫和輸入/輸出過壓條件,，并且能斷開上行電源或斷路器以保護(hù)自己及其負(fù)載。
功率至上者可以計(jì)算LTM4636的功率密度,，并對(duì)計(jì)算得到的數(shù)值感到滿意--但如前所述,，功率密度數(shù)值并非全部。這款μModule調(diào)節(jié)器還能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工具箱帶來其他顯著優(yōu)勢(shì)：卓越的DC-DC轉(zhuǎn)換效率和無與倫比的散熱能力成就出色的散熱性能,。
為了盡量減小調(diào)節(jié)器的占位面積(16 mm × 16 mm BGA),，將電感抬高并固定在兩個(gè)銅引線框架上，以便把其他電路組件（二極管,、電阻,、MOSFET、電容,、DC-DC IC）裝在其下方的襯底上,。如果將電感裝在襯底上，μModule調(diào)節(jié)器可以輕松占用超過1225 mm2而非256 mm2的PCB面積（圖2）,。
Footprint of LTM4636 3D Designs
LTM4636 3D設(shè)計(jì)的占位面積
(Inductor on Top) 256 mm2
?。姼兄糜陧敳浚?56 mm2
Footprint of Non-3D Construction Equivalent Functionality
功能相同的非3D結(jié)構(gòu)的占位面積
(Inductor on Substrate) 1255 mm2
（電感置于襯底上）1255 mm2
圖2.作為一款完整的POL解決方案,，LTM4636堆疊式電感兼任散熱器之職,，可實(shí)現(xiàn)卓越的散熱性能,，具有占位面積小巧的特點(diǎn),。
借助堆疊式電感結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師既可打造出緊湊的POL調(diào)節(jié)器，同時(shí)還可享有卓越的散熱性能,。與其他組件不同,，LTM4636中的堆疊式電感未采用超模壓塑（密封）封裝，而是直接暴露在氣流下,。電感外殼的形狀采用圓角設(shè)計(jì),，以提高空氣動(dòng)態(tài)性能（減少對(duì)氣流的阻礙）。
圖3.LTM4636的模擬散熱行為顯示,，熱量可以被輕松轉(zhuǎn)移到暴露在氣流下的電感封裝上,。
散熱性能和效率
LTM4636是一款支持40 A輸出電流的μModule調(diào)節(jié)器，采用3D封裝技術(shù)或組件封裝(CoP)技術(shù),，如圖1所示,。封裝主體是16 mm × 16 mm × 1.91 mm超模BGA封裝。LTM4636的電感堆疊于超模成型部分的頂部,，從BGA焊球（共144個(gè)）底部到電感頂部的封裝總高度為7.16 mm,。
除了從頂部散熱以外，LTM4636還采用了專門設(shè)計(jì),，可以高效地把來自封裝底部的熱量散發(fā)到PCB,。這款器件有144個(gè)BGA焊球，高電流在GND,、VIN和VOUT專用庫中流動(dòng),。這些焊球共同充當(dāng)PCB的散熱器。LTM4636經(jīng)過優(yōu)化,，可以同時(shí)散發(fā)來自封裝頂部和底部的熱量,，如圖3所示。
即使在較大轉(zhuǎn)換比,、12 V輸入/1 V輸出,、40 A (40 W)的全負(fù)載電流和200 LFM的標(biāo)準(zhǔn)氣流條件下，LTM4636封裝的溫度也只會(huì)比環(huán)境溫度（25°C至26.5°C）高40°C,。圖4所示為L(zhǎng)TM4636在這些條件下的熱圖,。