設計高效緊湊DC-DC轉換器的藝術由一組精選的工程師實踐，他們對轉換設計中涉及的物理和支持數學有深刻的理解，并結合了健康的工作臺經驗。對波特圖、麥克斯韋方程組以及對極點和零點的關注的深刻理解體現在優雅的DC-DC轉換器設計中。然而，IC設計人員經常避免處理可怕的熱問題，而這項工作通常落在封裝工程師身上。

對于精密IC之間空間狹小的負載點（POL）轉換器來說，熱量是一個重大問題。POL穩壓器產生熱量，因為還沒有電壓轉換是100%有效的。由于其結構、布局和熱阻，封裝會變得多熱？封裝的熱阻不僅會提高POL穩壓器的溫度，還會增加PCB和周圍元件的溫度，從而增加系統散熱裝置的復雜性、尺寸和成本。

PCB上DC-DC轉換器封裝的散熱通過兩種主要策略實現：

通過 PCB 分配它：

如果轉換器 IC 可表面貼裝，則 PCB 中的導熱銅通孔和層會從封裝底部散發熱量。如果封裝對PCB的熱阻足夠低，這就足夠了。

添加氣流：

冷氣流從封裝中帶走熱量（或者更準確地說，熱量傳遞到與封裝表面接觸的較冷快速空氣分子）。

當然，有被動和主動散熱的方法，為了簡單起見，這些方法被認為是第二類的子集。

當面對不斷上升的元件溫度時，PCB設計人員可以使用標準的散熱工具箱，以獲取常用工具，例如額外的銅，散熱器，或更大更快的風扇，或者只是更多的空間 - 使用更多的PCB空間，增加PCB上元件之間的距離，或加厚PCB層。

這些工具中的任何一個都可以在PCB上使用，以將系統保持在安全的溫度范圍內，但應用這些補救措施可能會削弱最終產品在市場上的競爭優勢。該產品，比如路由器，可能需要更大的外殼來適應PCB上必要的組件分離，或者隨著添加更快的風扇以增加氣流，它可能會變得相對嘈雜。這可能會使最終產品在市場上表現不佳，因為公司在緊湊性、計算能力、數據速率、效率和成本方面存在競爭。

圍繞高功率POL穩壓器的成功熱管理需要選擇合適的穩壓器，這需要仔細研究。本文介紹了穩壓器的選擇如何簡化電路板設計人員的工作。

不要僅根據功率密度來判斷POL穩壓器

許多市場因素推動了提高電子設備熱性能的需求。最明顯的是，即使產品尺寸縮小，性能也會不斷提高。例如，28 nm 至 20 nm 和 20 nm 以下的數字設備會消耗功率以提供性能，因為創新設備設計人員使用這些更小的工藝來制造更快、更小、更安靜、更高效的設備。從這一趨勢中得出的明顯結論是，POL穩壓器必須增加功率密度：（功率）/（體積）或（功率）/（面積）。

毫不奇怪，功率密度在穩壓器文獻中經常被引用為標題規格。令人印象深刻的功率密度使穩壓器脫穎而出，為設計人員在從眾多可用穩壓器中進行選擇時提供了可引用的規格。A 40 瓦/厘米2POL 穩壓器必須優于 30 W/cm2調節器。

產品設計師希望將更高的功率壓縮到更緊湊的空間中——最高級的功率密度數字乍一看似乎是通往最快、最小、最安靜和最高效產品的明確途徑，類似于使用馬力比較汽車性能。但是，功率密度對于實現成功的最終設計有多重要？比你想象的要少。

POL穩壓器必須滿足其應用要求。在選擇POL穩壓器時，必須確保其能夠在PCB上完成工作，因為熱處理可以成就或破壞應用。以下推薦的POL穩壓器分步選擇過程說明了優先考慮熱性能的理由：

忽略功率密度數字：

功率密度規格忽略了熱降額，熱降額對實際有效功率密度的影響要大得多。

檢查穩壓器的熱降額曲線：

一個有據可查且經過充分表征的POL穩壓器應具有指定各種輸入電壓、輸出電壓和氣流速度下的輸出電流的圖表。數據手冊應顯示POL穩壓器在實際工作條件下的輸出電流能力，以便您根據其熱電流和負載電流能力來判斷穩壓器。它是否滿足系統的典型和最大環境溫度和氣流速度的要求？請記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關。這兩者密切相關，同樣重要。

看效率：

是的，效率不是首要考慮因素。當單獨使用效率結果時，可能會顯示DC-DC穩壓器的熱特性的不準確圖像。當然，計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功耗和結溫需要效率數字。效率值必須與輸出電流降額以及與器件及其封裝相關的其他熱數據相結合。

例如，效率為98%的DC-DC降壓轉換器令人印象深刻;當它擁有卓越的功率密度數字時，甚至更好。您是否通過效率較低、功率密度較低的穩壓器購買？一個精明的工程師應該問問看似微不足道的2%效率損失的影響。該功率如何轉化為工作期間的封裝溫升？在 60°C 環境溫度和 200 LFM（線性英尺/分鐘）氣流下，高功率密度、高效穩壓器的結溫是多少？除了在25°C室溫下列出的典型數字之外。 在極端條件下測量的最大值和最小值是多少：?40°C、+85°C 或 +125°C？在高功率密度下，封裝熱阻是否上升得如此之高，以至于結溫超過安全工作溫度？一個效率高但價格昂貴的穩壓器需要多少降額？降額輸出電流值是否會降低輸出功率能力，以至于器件的額外成本不再合理？

考慮冷卻 POL 穩壓器的難易程度：

數據手冊中提供的封裝熱阻值是仿真和計算器件結溫、環境和外殼溫度上升的關鍵。由于表面貼裝封裝中的大部分熱量從封裝底部流向PCB，因此必須在數據手冊中詳細說明布局指南和有關熱測量的討論，以最大程度地減少系統原型設計期間的意外情況。

設計良好的封裝應有效地在整個表面上均勻散熱，消除降低POL穩壓器可靠性的熱點。如上所述，PCB負責吸收和路由來自表面貼裝POL穩壓器的大部分熱量。隨著強制氣流在當今密集而復雜的系統中盛行，設計巧妙的POL穩壓器還應利用這種自然冷卻的機會，從MOSFET和電感器等發熱元件中去除熱量。

將熱量引導至包裝頂部并進入空氣中

高功率開關POL穩壓器依靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉換為穩定的輸出電壓。在非隔離式降壓POL穩壓器中，該器件使用電感器。電感器和隨附的開關元件（如 MOSFET）在直流至直流轉換期間產生熱量。

大約十年前，新的封裝進步允許將整個DC-DC穩壓器電路（包括磁性元件）設計和安裝在模制塑料（稱為模塊或SiP）中，其中模制塑料內部產生的大部分熱量通過封裝底部路由到PCB。任何提高封裝散熱能力的傳統嘗試，例如將散熱器連接到表面貼裝封裝的頂部，都有助于實現更大的封裝。

幾年前，開發了一種創新的模塊封裝技術，以利用可用的氣流來幫助冷卻。在這種封裝設計中，散熱器被集成到模塊封裝中并包覆成型。在封裝內部，散熱器的底部直接連接到MOSFET和電感器，而散熱器的頂部是裸露在封裝頂部的平面。這種新的封裝內散熱技術允許器件通過氣流快速冷卻 （例如，請參閱此處的 LTM4620 TechClip 視頻）。

垂直：帶堆疊電感器作為散熱器的POL模塊穩壓器

POL穩壓器中電感器的尺寸取決于電壓、開關頻率、電流處理及其結構。在模塊方法中，DC-DC電路（包括電感器）被包覆成型并封裝在塑料封裝中，類似于IC，電感器比任何其他元件更能決定封裝的厚度、體積和重量。電感器也是重要的熱源。

將散熱器集成到封裝中有助于將熱量從 MOSFET 和電感器傳導到封裝頂部，在那里它可以散發到空氣、冷板或無源散熱器中。當相對較小的低電流電感器容易安裝在封裝的塑料模塑料化合物內時，這種技術是有效的，但當POL穩壓器依賴于更大和更高電流的電感器時，這種技術就不那么有效了，其中磁性元件在封裝內的位置迫使其他電路元件相距更遠，從而大大擴展了封裝的PCB尺寸。為了在改善散熱的同時保持較小的占地面積，封裝工程師開發了另一個技巧——垂直、堆疊或 3D（圖 1）。

圖1.高功率POL穩壓器模塊使用3D（垂直）封裝技術來提升電感器，并將其作為散熱器暴露在氣流中。其余

DC-DC電路組裝在電感下方的基板上，最大限度地減少所需的PCB面積，同時提高熱性能。

采用裸露堆疊電感器的 3D 封裝：保持小尺寸、增加功耗并改善散熱

更小的 PCB 占位面積、更高的功率和更好的熱性能——這三者都可以同時通過 3D 封裝實現，這是構建 POL 穩壓器的一種新方法（圖 1）。LTM4636是一款μModule穩壓器，內置DC-DC穩壓器IC、MOSFET、支持電路和大電感器，可降低輸出紋波，并從12 V輸入到0.6 V至3.3 V的精確調節輸出電壓提供高達40 A的負載電流。并聯運行的四個LTM4636器件可以均流，以提供160 A的負載電流。封裝的占位面積僅為 16 mm × 16 mm。該系列中的另一個穩壓器 LTM4636-1 可檢測過熱和輸入 / 輸出過壓情況，并可跳閘上游電源或斷路器以保護自身及其負載。?

馬力倡導者可以計算LTM4636的功率密度，并安全地吹捧其數字令人印象深刻，但如前所述，功率密度數字講述了一個不完整的故事。該μModule穩壓器還為系統設計人員的工具箱帶來了其他顯著優勢：令人印象深刻的DC-DC轉換效率和無與倫比的散熱能力帶來卓越的熱性能。

為了最小化穩壓器的占位面積（16 mm × 16 mm BGA），電感器被抬高并固定在兩個銅引線框架結構上，以便其他電路元件（二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC-DC IC）可以焊接在基板上。如果電感器放置在基板上，μModule穩壓器可以輕松占據超過1225 mm2的 PCB， 而不是一個小的 256 毫米2封裝（圖2）。

圖2.LTM4636 的堆疊式電感器兼作散熱器，以在具有小尺寸的完整 POL 解決方案中實現令人印象深刻的熱性能。

堆疊式電感器結構為系統設計人員提供了緊湊的POL穩壓器，并具有卓越的熱性能。LTM4636 中的堆疊式電感器與其他組件不同，未采用塑料包覆成型（封裝）。相反，它直接暴露在氣流中。電感器外殼的形狀采用圓角，以改善空氣動力學（最小的流動阻塞）。

圖3.LTM4636 的建模熱行為表明，熱量很容易轉移到暴露在氣流中的電感器封裝。

熱性能和效率

LTM4636是一款支持40 A的μModule穩壓器，得益于3D封裝技術或封裝上元件（CoP），如圖1所示。封裝主體為包覆成型的 16 mm × 16 mm × 1.91 mm BGA 封裝。將電感器堆疊在模制部分的頂部時，LTM4636 的總封裝高度（從 BGA 焊球底部（其中 144 個）到電感器頂部）為 7.16 mm。

除了從頂部散熱之外，LTM4636 還設計用于將熱量從封裝底部高效地分散到 PCB。它有 144 個 BGA 焊球，帶有專用于 GND、V 的焊球組在和 V外高電流流動的地方。總的來說，這些焊球充當PCB的散熱器。LTM4636 經過優化，可同時從封裝的頂部和底部散熱，如圖 3 所示。

即使在具有12 V輸入/1 V輸出、40 A （40 W）滿載電流和標準200 LFM氣流的情況下工作，LTM4636封裝溫度也僅比環境溫度（25°C至26.5°C）升高40°C。圖4顯示了LTM4636在這些條件下的熱圖像。

圖4.穩壓器在 40 W 時的熱結果顯示溫升僅為 40°C。

圖5顯示了輸出電流熱降額結果。在 200 LFM 時，LTM4636 可在高達 83°C 的環境溫度下提供令人印象深刻的 40 A 全電流。半電流、20 A 降額僅在 110°C 的過高環境溫度下發生。 這使得 LTM4636 只要有一些氣流可用，就可以在高容量下工作。

圖5.熱降額顯示 40 A 的全電流，在高達 83°C 的環境溫度下提供，200 LFM。

圖 6 所示的高轉換效率主要得益于 LTM4636 的高性能 MOSFET 和強大的驅動器。例如，12 V輸入電源降壓DC-DC控制器可實現：

12 V 輸入至 3.3 V、25 A 時為 95%

93 V 輸入至 12.1 V、8 A 時為 40%

12 V 輸入至 1 V、40 A 時為 88%

圖6.在各種輸出電壓范圍內具有高DC-DC轉換效率。

140 W、可擴展 4 A × 40 A μModule POL 穩壓器，帶熱平衡

一個 LTM4636 的額定負載電流輸出為 40 A。兩個處于均流模式（或并聯）的 LTM4636 可支持 80 A，而四個則支持 160 A。 使用并聯 LTM4636 輕松升級電源;只需復制并粘貼單穩壓器封裝，如圖7所示（提供符號和封裝）。

圖7.并行 LTM4636 易于布局。 只需復制一個通道的布局。

LTM4636的電流模式架構可在40 A模塊之間實現精準均流。反過來，精確的均流產生一個電源，在設備之間均勻地傳播熱量。圖8所示為具有四個μ模塊的160 A穩壓器。具有這些規格的所有設備都在彼此的°C內運行，確保沒有單個設備過載或過熱。這大大簡化了散熱。

圖8.四個并聯運行的LTM4636之間的精密均流，對于160 A應用，溫度僅升高40°C。

圖9.具有四個μ模塊的140 W穩壓器的效率。

圖10顯示了完整的160 A設計。請注意，LTM4636 不需要時鐘器件即可以彼此各自的異相方式運行 — 包括時鐘和相位控制。多相操作可降低輸出和輸入紋波電流，從而減少所需的輸入和輸出電容器數量。圖中，圖10中的四個LTM4636以90°錯相運行。

圖 10.這款140 W穩壓器具有四個并聯運行的LTM4636，具有精密均流和高效率12 V輸入至0.9 V輸出（160 A）。

結論

為人口稠密的系統選擇 POL 穩壓器需要對器件的電壓和安培額定值進行審查。評估其封裝的熱特性至關重要，因為它決定了冷卻成本、PCB 成本和最終產品尺寸。3D（也稱為堆疊式垂直CoP）的進步使高功率POL模塊穩壓器能夠適應較小的PCB尺寸，但更重要的是，可實現高效冷卻。LTM4636 是首款受益于這種堆疊封裝技術的 μModule 穩壓器系列。作為采用堆疊電感器作為散熱器的 40 A POL μModule 穩壓器，它的效率為 95% 至 88%，滿載時僅升 40°C，僅占用 16 mm × 16 mm 的 PCB 面積。

審核編輯：郭婷