功率更大、尺寸更小和溫度更低的負(fù)載點(diǎn)DC/DC調(diào)節(jié)

每一代高端處理器、FPGA 和 ASIC 都因更重的負(fù)載而增加了電源的負(fù)擔(dān)，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師很少為了符合這種功率增大的情況而額外分配寶貴的系統(tǒng)電路板空間。由于廣泛需要更多專用和安裝在電路板上的電源，以向多個(gè)電壓軌提供 POL (負(fù)載點(diǎn)) 調(diào)節(jié)，所以這種對(duì)電源的擠壓就更嚴(yán)重了。個(gè)別電源軌必須越來越多地在低電壓 (≤1V) 下支持?jǐn)?shù) 10A至超過 100A 的電流，因而要求大約 1% 的初始準(zhǔn)確度和出色的負(fù)載瞬態(tài)偏差 (低于幾%)。因此挑戰(zhàn)是找到準(zhǔn)確和能在低電壓提供大的負(fù)載電流同時(shí)占用很少系統(tǒng)電路板空間的電源解決方案。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)一款功能合適的穩(wěn)壓器解決方案時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行功率損失和熱阻評(píng)估。倘若這兩項(xiàng)參數(shù)不能滿足系統(tǒng)的散熱要求 (特別是當(dāng)系統(tǒng)必須在高環(huán)境溫度條件下運(yùn)作時(shí))，就會(huì)導(dǎo)致一款原本不錯(cuò)的穩(wěn)壓器解決方案大打折扣。顯然，轉(zhuǎn)換效率必須很高，以限制功率損耗，而且封裝設(shè)計(jì)必須具備很低的內(nèi)部熱阻以及很低的環(huán)境連接熱阻。隨著解決方案的縮小，穩(wěn)壓器和電路板之間的熱阻面積也減小了，這就使得保持電路板低溫度更加困難了，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器通常將大多數(shù)功率損耗傳導(dǎo)到系統(tǒng)電路板中，從而顯著提高了系統(tǒng)的內(nèi)部溫度。

真正的問題：熱量和冷卻成本

系統(tǒng)和熱設(shè)計(jì)工程師花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)這些復(fù)雜的電子系統(tǒng)進(jìn)行建模和評(píng)估，以設(shè)計(jì)能去除以熱量形式體現(xiàn)功率損耗的解決方案。一般用空氣流動(dòng)和散熱器來去除這種不想要的熱量。真正的問題是，隨著系統(tǒng)內(nèi)部溫度的升高，新式處理器、FPGA 和定制 ASIC 通常消耗顯著增大的功率。不幸的是，這需要電源穩(wěn)壓器提供更多功率，而且將增大內(nèi)部功率損耗，從而進(jìn)一步升高系統(tǒng)溫度。因此，消除功率損耗和熱量是非常重要，而且高密度電源解決方案必須限制功率損耗，并有效地消除熱量。但是，封裝極其緊湊的電源解決方案要么耗散過多的功率，要么無法有效地移除熱量，因此假如不實(shí)施大幅度的降額就不能在高溫環(huán)境中運(yùn)作。需要一種適合的解決方案來幫助緩解這一實(shí)際問題。

毫不奇怪，為了使大功率設(shè)計(jì)的溫度保持在合理水平，注意冷卻方法是至關(guān)重要的。安裝風(fēng)扇、冷卻板、散熱器以及有時(shí)將系統(tǒng)浸沒到特殊液體中都是一些設(shè)計(jì)師被迫采用的方法的實(shí)例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過，如果一個(gè)大功率負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器能提供所需功率，同時(shí)能均勻和高效率地消散熱量，那么冷卻這部分電路的要求就會(huì)降低，從而能減少冷卻系統(tǒng)的尺寸、重量、維護(hù)工作和成本。

功率密度是誤導(dǎo)

談?wù)摳吖β拭芏?DC/DC 穩(wěn)壓器是誤導(dǎo)的，因?yàn)樗簧婕捌骷囟葐栴}。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師決定選用一款可滿足系統(tǒng)對(duì)于 DC/DC 穩(wěn)壓器的電氣、物理和電源要求的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)教會(huì)他們從器件的產(chǎn)品手冊(cè)中尋覓到更多的相關(guān)信息。下面舉一個(gè)例子：如果一個(gè) 2cm x 1cm 的 DC/DC 穩(wěn)壓器向負(fù)載提供 54W 功率，它的功率密度額定值為 27W/cm²。這一數(shù)字也許會(huì)給一些設(shè)計(jì)師留下深刻印象，并滿足他們的搜尋要求：想要的功率、想要的尺寸和想要的價(jià)格。不過，被忘記的是熱量最終會(huì)轉(zhuǎn)變成溫度上升。如欲獲取重要的相關(guān)信息，則需研究分析 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結(jié)點(diǎn)至外殼”、“結(jié)點(diǎn)至空氣”和“結(jié)點(diǎn)至 PCB”熱阻數(shù)值。

繼續(xù)看上面的例子，該器件還有另一個(gè)吸引人的屬性。它以令人印象深刻的 90% 的效率工作。它消耗 6W 功率，同時(shí)提供 54W 輸出，所采用的封裝具備 20ºC/W 結(jié)點(diǎn)至空氣的熱阻。6W 乘以 20ºC/W，結(jié)果為在環(huán)境溫度之上升高 120ºC。當(dāng)在 45ºC 的環(huán)境溫度時(shí)，這個(gè)似乎令人印象深刻的 DC/DC 穩(wěn)壓器封裝結(jié)溫的計(jì)算結(jié)果就是 165ºC。165ºC 不是一個(gè)令人感覺很好的值，原因有兩點(diǎn)：(a) 它高于大多數(shù)硅 IC 大約為 120ºC 的最高溫度；(b) 它需要特別關(guān)注，以保持結(jié)溫在一個(gè)低于 120ºC 的較安全值。

上述的簡(jiǎn)單計(jì)算有時(shí)會(huì)被忽視了。一個(gè)看似滿足所有電氣和功率要求的 DC/DC 穩(wěn)壓器未能滿足系統(tǒng)的熱量指導(dǎo)原則，或者被證明由于在安全的溫度環(huán)境中工作需要采取額外措施，因此用起來太過昂貴。在首次參與評(píng)估電壓、電流和尺寸等屬性時(shí)，記著研究 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱性能是很重要的。

本文將介紹一種新的高密度和可擴(kuò)展的 LTM4620 微型模塊 (µModule) 穩(wěn)壓器。內(nèi)容將包括電氣、機(jī)械 / 封裝和熱性能以及不同的可擴(kuò)展型電源設(shè)計(jì)。目標(biāo)是展示一種新的高密度、可擴(kuò)展的電源穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器具備卓越的電氣性能、低功率損耗和獨(dú)特的耐熱增強(qiáng)型封裝設(shè)計(jì)，可幫助克服高功率密度挑戰(zhàn)。

LTM4620 雙通道 13A 或單通道 26A µModule 穩(wěn)壓器

圖 1 顯示了 LTM4620 µModule 穩(wěn)壓器的照片。LTM4620 采用 SIP (系統(tǒng)級(jí)封裝)，是 15mm x 15mm x 4.41mm LGA 器件。它能在 13A 時(shí)提供兩個(gè)獨(dú)立輸出，或在 26A 時(shí)提供單個(gè)輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)卓越的熱量管理。

圖 1：LTM4620 封裝：15mm x 15mm x 4.41mm LGA

圖 2 顯示了 LTM4620 µModule 穩(wěn)壓器的方框圖。LTM4620 由兩個(gè)高性能同步降壓型穩(wěn)壓器組成。輸入電壓范圍為 4.5V 至 16V，輸出電壓范圍為 0.6V 至 2.5V，而 LTM4620A 的輸出電壓范圍為 0.6V 至 5.5V。LTM4620 的電氣特性為 ±1.5% 的總輸出準(zhǔn)確度、經(jīng)過全面測(cè)試的準(zhǔn)確均流、快速瞬態(tài)響應(yīng)、具備自定時(shí)和可編程相移的多相并聯(lián)工作、頻率同步以及準(zhǔn)確的遠(yuǎn)端采樣放大器。

保護(hù)功能包括反饋參考的輸出過壓保護(hù)、折返過流保護(hù)和內(nèi)部溫度二極管監(jiān)視。

圖 2：LTM4620 方框圖

INTERNAL COMP：內(nèi)部比較器

POWER CONTROL：電源控制

LTM4620 獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)

圖 3 顯示了一個(gè)尚未模制的 LTM4620 之染色側(cè)視圖和頂視圖。封裝設(shè)計(jì)由熱傳導(dǎo)性很高的 BT 襯底和足夠的銅箔層組成，以提高電流承載能力并實(shí)現(xiàn)至系統(tǒng)電路板的低熱阻。一種專有引線框架功率 MOSFET 棧用來提供高功率密度、低互連電阻、以及給器件的頂部和底部提供很高的熱傳導(dǎo)性。專有散熱器設(shè)計(jì)連接到功率 MOSFET 棧和功率電感器上，以提供有效的頂部散熱?？梢栽陧敳康穆懵督饘倜嫔霞由弦粋€(gè)外部散熱器，以利用空氣流動(dòng)去除熱量。由于該專有散熱器的構(gòu)造和模制封裝，僅有氣流而沒有散熱器就可去除頂部的熱量。

圖 3：LTM4620 的染色側(cè)視圖和尚未模制的 LTM4620

Top Side Heat Sinking：頂部散熱

Bottom Side Heat Sinking：底部散熱

Power MOSFET Stack：功率 MOSFET 棧

Power Inductors：功率電感器

圖 4 顯示了 LTM4620 的熱像以及在 26A 設(shè)計(jì)時(shí) 12V 至 1V 的降額曲線。當(dāng)具有 200LFM 氣流時(shí)，溫升僅為 35°C (在環(huán)境溫度以上)，而且降額曲線顯示：一直到大約 80°C 時(shí)最大負(fù)載電流都無需降額。圖 4 顯示了熱量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了耐熱增強(qiáng)型高密度電源穩(wěn)壓器解決方案的真正優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)在小尺寸中盡可能減少功率損耗，并有效地去除了作為功率損耗函數(shù)的熱量。

無散熱器，大約在 T_A = 29.8^oC 之上上升 35^oC，

空氣流動(dòng) = 200LFM，12V 至 1V/26A

12V 至 1V/26A，直至大約 80^oC 時(shí)無降額，

空氣流動(dòng) = 200LFM

圖 4：LTM4620 熱像及減額曲線

CURRENT：電流

AMBIENT TEMPERATURE： 環(huán)境溫度

LTM4620 的電氣性能

圖 5：LTM4620、兩相 1.5V/26A 并聯(lián)輸出

5V TO 16V INTERMEDIATE BUS：5V 至 16V 中間總線

PULL-UP RESISTOR AND ZENER ARE OPTIONAL：上拉電阻器和齊納二極管是可選的

圖 5 顯示以雙輸出均流模式工作的 LTM4620。這種配置提供密度非常高的 1.5V/26A 解決方案。RUN、TRACK、COMP、VFB、PGOOD 和 V_OUT 引腳連接在一起，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作。該設(shè)計(jì)顯示了一種利用一個(gè) LTC2997 溫度傳感器監(jiān)視器監(jiān)視 LTM4620 內(nèi)部溫度二極管的方式。溫度采樣二極管可由很多不同的器件監(jiān)視，這些器件監(jiān)視一個(gè)連接二極管的晶體管。圖 6 顯示兩相并聯(lián)輸出、1.5V 時(shí)的效率和兩通道均流性能。就如此高密度的解決方案而言，86% 的效率是相當(dāng)好的，而且正如圖 4 的熱量數(shù)據(jù)所示，由于電路板安裝后的低 ?_JA 熱阻，溫度上升得到了良好控制。有效的頂部和底部散熱系統(tǒng)使 LTM4620 能以很少的溫度上升及滿功率工作。圖 6 顯示了V_OUT1 和 V_OUT2 的均流性能。LTM4620 的內(nèi)部控制器經(jīng)過了準(zhǔn)確微調(diào)和測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)輸出均流。這使 LTM4620 成為高密度、可擴(kuò)展電源解決方案的卓越選擇。高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)電流模式架構(gòu)很好地滿足了高性能處理器、FPGA 和定制 ASIC 所需的低壓內(nèi)核電源要求。出色的輸出電壓初始準(zhǔn)確度和差分遠(yuǎn)端采樣在負(fù)載點(diǎn)提供適當(dāng)?shù)?DC 電壓調(diào)節(jié)。獨(dú)特的熱量控制能力和卓越的均流允許將輸出電流能力擴(kuò)展至高達(dá)超過 100A。為每個(gè)穩(wěn)壓器通道設(shè)定多相工作無需外部相移時(shí)鐘源。每個(gè) LTM4620 具有一個(gè)“時(shí)鐘輸入”引腳和一個(gè)“時(shí)鐘輸出”引腳，以及用于對(duì)并聯(lián)通道進(jìn)行定時(shí)的內(nèi)部可編程相移功能?？梢赃x擇外部頻率同步或內(nèi)部?jī)?nèi)置定時(shí)。這些定時(shí)功能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了功率調(diào)整概念。

圖 6：兩相、1.5V 的效率和均流圖

EFFICIENCY：效率

OUTPUT CURRENT：輸出電流

Dual LTM4620 Single Output Current Sharing：雙 LTM4620 單輸出均流

TOTAL CURRENT：總電流

圖 7 顯示了 8 相、4 個(gè) µModule 穩(wěn)壓器 100A 設(shè)計(jì)圖片以及所有 4 個(gè)穩(wěn)壓器的均流圖。所有 8 個(gè)相位是定時(shí)相位，并連接到一起以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展至 100A 的均流方案。正如圖 7 注釋所示，要支持 100A 的電源解決方案，實(shí)際的 µModule 穩(wěn)壓器占用的電路板空間大約為 1.95 平方英寸。這就為這類大電流提供了卓越的高密度電源解決方案。一個(gè)散熱器可以運(yùn)用到所有 4 個(gè)模塊上，以通過空氣流動(dòng)去除電源損耗。這可防止大量電源損耗消散到系統(tǒng)電路板中。

圖 7： 8 相、4 個(gè) µModule 穩(wěn)壓器可擴(kuò)展至 100A的設(shè)計(jì)

SINGLE uModule OUTPUT CURRENT：?jiǎn)蝹€(gè) µModule 輸出電流

100A Four uModules in Parallel Current Sharing： 4 個(gè) µModule 并聯(lián)均流 100A

TOTAL CURRENT：總電流

性能證明

為了驗(yàn)證 LTM4620 的性能，我們提供了 4 段視頻短片，以顯示設(shè)定和測(cè)量方法。這些視頻短片涵蓋的主題包括：短路保護(hù)、在 26A 和 100A 時(shí)的熱量表現(xiàn)和溫度上升、散熱器連接以及在啟動(dòng)、穩(wěn)定狀態(tài)和停機(jī)時(shí)的精確均流。如需觀看這些視頻，請(qǐng)?jiān)L問：http://video.linear.com.cn/p4634-126。

結(jié)論

LTM4620 µModule穩(wěn)壓器為高密度電源解決方案提供了一種新概念。這款高性能穩(wěn)壓器裝在一個(gè)進(jìn)行了卓越的熱設(shè)計(jì)的封裝中，使大功率設(shè)計(jì)能在非常小的外形尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)。具備準(zhǔn)確均流的多相定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)了 25 A、50 A 和超過 100 A 的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)。LTM4620 獨(dú)特的熱特性在環(huán)境溫度逐漸上升時(shí)，允許全功率工作。在實(shí)現(xiàn)大電流設(shè)計(jì)的同時(shí)，還可以將功率損耗和溫度控制在可接受的水平。

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