從事高效、緊湊式DC-DC轉換器設計藝術的是一群精英工程師，他們對轉換設計相關物理學原理和相關數學知識有著深入的理解，還擁有豐富的實踐工作經驗。憑藉對波特圖、麥克斯韋方程組以及極點和零點的深入理解，他們可以打造出優雅的DC-DC轉換器設計。然而，IC設計師通常會迴避棘手的散熱問題——這項工作通常屬於封裝工程師的職責範圍。
在負載點(POL)轉換器中，專用IC之間的空間有限，因此散熱是個大問題。POL調節器會產生熱量，因為（目前）還沒有電壓轉換的效率能達到100%。受結構、布局和熱阻影響，封裝會變得多熱？封裝的熱阻不僅會提高POL調節器的溫度，還會增加PCB及周圍組件的溫度，因而會增加系統散熱機制的複雜性、尺寸和成本。
PCB上的DC-DC轉換器封裝主要有兩種散熱方式：
通過PCB散熱：
如果轉換器IC採用表貼封裝，則PCB上的導熱性銅通孔和隔層會從封裝底部散熱。如果封裝對PCB的熱阻很低，採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（更準確地說，熱量被轉移到與封裝表面接觸的快速運動的較冷空氣分子中）。
當然還有被動式散熱法和主動式散熱方法，但為簡化討論，我們將它們視為第二類的子集。
面對上升的組件溫度，PCB設計師可以從標準散熱工具箱裡去找常用的工具，比如增加銅，加裝散熱器，使用更大、更快的風扇，也可以簡單地增加空間——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，使系統溫度維持在安全限值以內，但是使用這些補救措施會降低最終產品在市場上的競爭優勢。產品（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扇以增加氣流，結果可能會增加噪聲。這可能會使最終產品在市場上失去優勢，因為企業的競爭優勢體現在緊湊性、計算能力、數據速率、效率和成本等方面。
要在高功耗POL調節器周圍成功實現散熱管理，就需要選擇正確的調節器，而這又要求進行仔細的研究。本文將展示如何通過選擇正確的調節器簡化電路板設計師的工作。
切勿僅憑功率密度來判斷POL調節器
市場上有多種因素要求我們完善電子設備的散熱性能。最為明顯的是，即使產品尺寸不斷縮小，性能也會持續提升。例如，28 nm至20 nm和亞20 nm級的數字器件需要較大功耗才能達到性能要求，因為創新設備設計師要用這些小型工藝生產更快、更小、更安靜、更高效的器件。從這一趨勢可以得出的明顯結論是POL調節器必須提高功率密度：(功率)/(體積)或(功率)/(面積)。
不足為奇的是，在有關調節器的文獻中，功率密度一般被當作一項重要指標。較大的功率密度可使調節器脫穎而出——當設計師從眾多調節器中進行選擇時可以作為參考指標。40 W/cm2 POL的調節器必然優於30 W/cm2的調節器。
產品設計師想把更高的功率塞進更緊湊的空間中——乍一看，超高的功率密度數值似乎是實現最快、最小、最安靜、最高效的產品的最佳途徑，就如用馬力比較汽車性能一樣。但是，功率密度在實現成功的最終設計方面到底有多重要？可能不如你想像的重要。
POL調節器必須符合其應用的要求。選擇POL調節器時，必須確保其具備在PCB上完成任務的能力，因為熱量處理既可能成就應用，也可能毀掉應用。以下是針對POL調節器的逐步選擇流程建議，其中突出了熱性能的重要性：
忽略功率密度數值：
功率密度指標忽略了熱衰減問題，但該問題對真實有效功率密度的影響要大得多。
檢查調節器的熱衰減曲線：
配有完整文檔並且技術指標齊全的POL調節器應該配有對應的圖形，其中標示了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流風速下的輸出電流。數據手冊應該展示POL調節器在真實工作條件下的輸出電流能力，以便從熱性能和負載電流性能的角度判斷調節器的適用性。是否符合系統的典型和最大環境溫度和氣流風速要求？記住，輸出電流熱衰減與器件的熱性能相關。二者密切相關，同等重要。
效率考慮：
是的，效率不是第一考慮因素。獨立使用時，效率結果可能無法準確體現DC-DC調節器的熱特性。當然，效率值對於計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功率損耗和結溫是必不可少的。效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關的其他熱數據結合使用。
例如，效率為98%的DC-DC降壓轉換器是非常不錯的；如果它的功率密度值也非常出色，無異於錦上添花。與效率更低、功率密度更低的調節器相比，你會買它嗎？精明的工程師應該問問看似不重要的2%效率損失有什麼影響。在運行過程中，這些功耗會對封裝溫度的升高產生什麼樣的影響？在60°C環境溫度以及200 LFM（線性英尺/分）的風速下，高功率密度型高效調節器的結溫有多高？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，封裝熱阻會升高到非常高的水平使結溫快速超過安全工作溫度嗎？效率很高但價格昂貴的調節器要求多少衰減？衰減輸出電流值會不會削弱輸出功率性能，從而使器件的額外成本失去意義？
考慮POL調節器冷卻的便利性：
數據手冊中的封裝熱阻值是模擬和計算器件結溫、環境溫度和外殼溫度的關鍵。由於表貼式封裝中會有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板，所以，必須在數據手冊中標明有關熱量測量的布局指引和討論結果，以減少系統原型開發過程出現的突發情況。
設計精良的封裝應該通過表面高效、均勻地散熱，從而消除可能導致POL調節器性能出現衰減的熱點。如上所述，PCB負責吸收和路由來自表貼式POL調節器的大部分熱量。隨著強制氣流散熱方式在當今的高密度和高複雜度的系統中日漸流行，設計精良的POL調節器也應該利用這一免費的冷卻機會，為MOSFET、電感等發熱部件散熱。
把熱量從封裝頂部引至空氣中
高功率開關POL調節器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉換成穩壓輸出電壓。在非隔離式降壓POL調節器中，器件採用電感。電感和相關開關元件（如MOSFET）在DC-DC轉換過程中會產生熱量。
大約十年前，封裝技術取得顯著進步，使得包括磁體在內的整個DC-DC調節器電路均可被設計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做法（比如在表貼封裝頂部加裝一個散熱器）都會增大封裝尺寸。
幾年前，一種新型模塊封裝技術被開發出來，利用氣流輔助冷卻。在該封裝設計中，一個散熱器被集成到模塊封裝當中並經嵌件注塑處理。在封裝內部，散熱器底部直接連接MOSFET和電感，散熱器的頂面則是一個平面，裸露在封裝頂部。藉助這種新型封裝內散熱技術，用氣流即可使器件快速冷卻下來（有關示例，請點擊此處，觀看 LTM4620TechClip視頻)。
採用垂直模式：以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調節器
POL調節器中的電感的大小取決於電壓、開關頻率、電流處理性能及其結構。在模塊化設計中，DC-DC電路（包括電感）被超模壓塑並密封在塑料封裝中，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。電感也是一個重要的熱源。
把散熱器集成到封裝中有助於將來自MOSFET和電感的熱量傳導至封裝頂部，從而散發到空氣、冷板或無源散熱器中。在可以輕鬆將較小的低電流電感裝進封裝塑料模具材料的情況下，這種技術非常有效；但在POL調節器需要採用大型高電流電感的情況下，由於要把磁體裝進封裝就必須擴大其他電路組件的間距，會大幅增大封裝PCB佔位面積，所以其有效性會大打折扣。為了既保持較小的佔位面積又改進散熱性能，封裝工程師開發了另一種技術——垂直、堆棧或稱3D（圖1）。
圖1. 高功率POL調節器模塊運用3D（垂直）封裝技術升高電感位置並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。
採用裸露堆疊式電感的3D封裝：保持較小的佔位面積，提高功率，完善散熱
較小的PCB佔位面積、更高的功率和更好的散熱性能——有了3D封裝（一種新型POL調節器構造方法，見圖1），可以同時實現這三個目標。LTM4636是一款μModule調節器，板載DC-DC調節器IC、MOSFET、支持電路和一個大型電感，可減少輸出紋波，提供最高40 A的負載電流，輸入電壓為12 V，精密調節輸出電壓範圍為0.6 V至3.3 V。4個LTM4636器件並聯可以通過電流共享方式提供160 A的負載電流。封裝的佔位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調節器 LTM4636-1，可以檢測過溫和輸入/輸出過壓條件，並且能斷開上行電源或斷路器以保護自己及其負載。
功率至上者可以計算LTM4636的功率密度，並對計算得到的數值感到滿意——但如前所述，功率密度數值並非全部。這款μModule調節器還能給系統設計師的工具箱帶來其他顯著優勢：卓越的DC-DC轉換效率和無與倫比的散熱能力成就出色的散熱性能。
為了儘量減小調節器的佔位面積(16 mm × 16 mm BGA)，將電感抬高並固定在兩個銅引線框架上，以便把其他電路組件（二極體、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調節器可以輕鬆佔用超過1225 mm2而非256 mm2的PCB面積（圖2）。
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，可實現卓越的散熱性能，具有佔位面積小巧的特點。
藉助堆疊式電感結構，系統設計師既可打造出緊湊的POL調節器，同時還可享有卓越的散熱性能。與其他組件不同，LTM4636中的堆疊式電感未採用超模壓塑（密封）封裝，而是直接暴露在氣流下。電感外殼的形狀採用圓角設計，以提高空氣動態性能（減少對氣流的阻礙）。
圖3. LTM4636的模擬散熱行為顯示，熱量可以被輕鬆轉移到暴露在氣流下的電感封裝上。
散熱性能和效率
主體是16 mm × 16 mm × 1.91 mm超模BGA封裝。LTM4636的電感堆疊於超模成型部分的頂部，從BGA焊球（共144個）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還採用了專門設計，可以高效地把來自封裝底部的熱量散發到PCB。這款器件有144個BGA焊球，高電流在GND、VIN和VOUT專用庫中流動。這些焊球共同充當PCB的散熱器。LTM4636經過優化，可以同時散發來自封裝頂部和底部的熱量，如圖3所示。
即使在較大轉換比、12 V輸入/1 V輸出、40 A (40 W)的全負載電流和200 LFM的標準氣流條件下，LTM4636封裝的溫度也只會比環境溫度（25°C至26.5°C）高40°C。圖4所示為LTM4636在這些條件下的熱圖。
圖4. 調節器在40 W下的熱性能結果表明，溫度只會提高40°C。
圖5所示為輸出電流熱衰減結果。在200 LFM下，LTM4636的性能非常出色，可輸出40 A的全電流，環境溫度最高為83°C。20 A半電流衰減只會出現在環境溫度達到110°C時。這樣，只要有氣流，LTM4636都能在高容量下運行。
圖5. 熱衰減表明在83°C最高環境溫度、200 LFM下，全電流可達40 A。
圖6所示高轉換效率主要歸功於高性能MOSFET和LTM4636超強的性能。例如，12 V輸入電源降壓DC-DC轉換器可以實現：
95%，12 V輸入電壓轉換為3.3 V，25 A
93%，12 V輸入電壓轉換為1.8 V，40 A
88%，12 V輸入電壓轉換為1 V，40 A
圖6. 多種輸出電壓下的高DC-DC轉換效率。
帶熱平衡的140 W可擴展式4 A × 40 A μModule POL調節器
一個LTM4636的額定輸出負載電流為40 A。在電流共享模式（或並聯）下，2個LTM4636可以支持80 A，4個可以支持160 A。通過並聯LTM4636的方式提高電源電流非常簡單；只需複製和粘貼單個調節器的佔位面積即可，如圖7所示（提供符合和佔位面積）。
圖7. 並聯LTM4636設計起來非常簡單。只需複製一個通道的布局即可。
藉助LTM4636的電流模式結構，可以在多個40 A模塊之間實現精確電流共享。在精密電流共享模式下，電流會把熱量均勻地分布在各個器件上。圖8所示160 A調節器有4個μModule模塊。在滿足這些指標下，所有器件的工作溫度都能相互平衡，確保任何單個器件都會過載或過熱。這就極大地簡化了散熱機制的設計。
圖8. 並行運行的4個LTM4636之間的精確電流共享，在160 A應用中，溫度僅升高40°C。
圖9. 帶4個μModule模塊的140 W調節器的效率。
圖10所示為完整的160 A設計。注意，LTM4636無需時鐘器件即可相互反相工作——包括時鐘和相位控制。多相工作模式下可以減少輸出和輸入紋波電流，從而減少所需輸入和輸出電容的數量。在圖10中，4個LTM4636相互反相90°。
圖10. 這款140 W的調節器搭載4個並行運行的LTM4636，採用精確電流共享模式，在160 A應用中，12 V輸入電壓轉換為0.9 V輸出電壓的效率非常出色。
結論
為密集型系統選擇POL調節器，僅僅檢查器件的額定電壓和額定電流是不夠的。必須評估器件封裝的熱特性，因為此項指標決定著冷卻成本、PCB的成本以及最終產品的尺寸。使用3D（也稱為堆疊、垂直技術）CoP封裝，可以將高功率POL模塊調節器放在較小的PCB空間中，但更重要的是，可以實現效率冷卻。
作者：Afshin Odabaee
來源：ADI
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