硅工藝技術(shù)的進(jìn)步繼續(xù)將微處理器、FPGA和ASIC的晶體管幾何形狀降低到歷史水平。為這些大型復(fù)雜數(shù)字設(shè)備供電所需的電源電壓水平也在不斷縮小，從而帶來(lái)了獨(dú)特的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

一個(gè)主要問(wèn)題是功率穩(wěn)壓器在低輸出電壓下的轉(zhuǎn)換效率。例如，典型的高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在15A時(shí)將12V轉(zhuǎn)換為3.3V，其轉(zhuǎn)換效率為~93%。出于實(shí)際目的，由于I2R 損失。因此，處理49.5W負(fù)載的效率為93%，相當(dāng)于3.72W的損耗。

同樣，15A 時(shí)輸出電壓要求低至 1V，效率為 76%，則功耗為 4.74W。由于功率級(jí)的尺寸限制，典型的高密度電源解決方案面臨著在低輸出電壓下實(shí)現(xiàn)高效率的挑戰(zhàn)。功率級(jí)必須具有高性能功率MOSFET和電感器，以提高低壓轉(zhuǎn)換效率，而不僅僅是增加解決方案尺寸。

實(shí)際上，許多功能豐富的數(shù)字設(shè)備對(duì)低壓電源的電流要求在>30A范圍內(nèi)。因此，對(duì)于30A負(fù)載，效率為76%的1V輸出將產(chǎn)生9.48W的損耗，這肯定會(huì)帶來(lái)熱挑戰(zhàn)。散熱問(wèn)題會(huì)隨著系統(tǒng)主板上所需的 30A 穩(wěn)壓器數(shù)量而增加。

未經(jīng)檢查的穩(wěn)壓器功率損耗，加上其他系統(tǒng)功率損耗，會(huì)造成嚴(yán)重的熱挑戰(zhàn)。一個(gè)問(wèn)題是小尺寸ASIC或FPGA漏電流會(huì)隨著系統(tǒng)溫度的增加而上升，從而影響系統(tǒng)性能和可靠性。

一種可能的解決方案是使用功率轉(zhuǎn)換器模塊，該模塊可以提供明顯高于應(yīng)用所需的輸出功率，并在輸出電流點(diǎn)運(yùn)行，從而最大限度地提高效率。當(dāng)然，在空間受限的系統(tǒng)中，過(guò)大的解決方案是不可行的，并且該解決方案的電流限制遠(yuǎn)高于所需的電流。

另一種解決方案是使用針對(duì)低輸出電壓效率進(jìn)行優(yōu)化的分立式電源轉(zhuǎn)換器。但同樣，空間限制和組件采購(gòu)可能具有挑戰(zhàn)性。分立式設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何有效地冷卻它并散熱器具有不同高度的各種分立式電源組件。

μ模塊解決方案

圖 1 示出了一款完整的 1.0V/15A 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用采用 15mm × 15mm × 4.32mm 封裝的 LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器。LTM4627 集成了高性能電源路徑和控制電路，從而將設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為幾個(gè)外部大容量電容器和幾個(gè)小電阻器。

圖1.一個(gè)完整的 1V/15A 轉(zhuǎn)換器只需要圍繞 LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器周圍的幾個(gè)組件，該穩(wěn)壓器采用耐熱性能增強(qiáng)型 15mm × 15mm × 4.32mm 封裝。

LTM4627 的特性包括全差分遠(yuǎn)端檢測(cè)、輸出電壓跟蹤和軟起動(dòng)、利用突發(fā)模式操作或脈沖跳躍功能在輕負(fù)載條件下的高效率、電壓監(jiān)視和頻率同步。LTM4627 采用一種電流模式架構(gòu)，該架構(gòu)使多個(gè) μModule 穩(wěn)壓器能夠并聯(lián)運(yùn)行 （圖 5），通過(guò)準(zhǔn)確的電流限值控制分擔(dān)負(fù)載以增加輸出電流。

LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器專為高效率轉(zhuǎn)換為低輸出電壓而優(yōu)化 — 采用一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換器封裝在一個(gè)小型、耐熱性能增強(qiáng)的外形尺寸中。輸入電壓范圍為 4.5V 至 20V，輸出電壓編程范圍為 0.8V 至 5V。圖2顯示了5V、8V和12V輸入下1V/15A的效率為82%至83%。與典型（和更大）解決方案相比，效率提高了6%至7%，或者在小尺寸中功率損耗提高了1.68W。

圖2.穩(wěn)壓器的效率如圖1所示。

圖 3 示出了 LTM4627 在 12V 至 1V/15A 時(shí)的熱圖，無(wú)氣流或散熱。在65°C時(shí)，溫升比25°C環(huán)境溫度高~40°C。 ~3W的功率損耗乘以數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的θ賈13°C/W 的熱阻與熱圖中 40°C 的上升相匹配。

圖3.LTM4627 在 15A 電流下將 12V 轉(zhuǎn)換為 1V 且無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)或散熱器的熱圖。

LTM4627 封裝具有一個(gè)高導(dǎo)熱基板，其布局經(jīng)過(guò)熱建模，旨在增強(qiáng)熱性能和均勻的散熱。雖然封裝很小，但它為PCB（和散熱器）提供了足夠的表面積，以最大限度地降低解決方案的整體熱阻。

圖 4 示出了 LTM4627 的 12V 至 1V 降額曲線。LTM4627 能夠以非常小的外形尺寸在較高的環(huán)境溫度下工作，并具有滿載能力。

圖4.LTM4627 的降額曲線將 12V 轉(zhuǎn)換為 1V。

圖 5 示出了一款采用兩個(gè)并聯(lián) LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器的 2 相、30A 設(shè)計(jì)，這兩個(gè)穩(wěn)壓器采用來(lái)自 LTC6908-1 的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行 180° 錯(cuò)相時(shí)鐘。

圖5.一種基于兩個(gè)并聯(lián) LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器的 2 相、30A 設(shè)計(jì)，時(shí)鐘錯(cuò)相為 180°。如需更高的輸出電流，只需添加更多 LTM4627。

均流在穩(wěn)態(tài)直流負(fù)載和動(dòng)態(tài)瞬變期間均流均能很好地平衡。精確的遠(yuǎn)端采樣放大器在負(fù)載點(diǎn)產(chǎn)生出色的電壓精度。要獲得更高的輸出電流，只需添加更多 LTM4627 即可。

結(jié)論

LTM4627 μModule 穩(wěn)壓器是一款高性能多功能 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可用于許多需要在寬輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的應(yīng)用。非常小的外形尺寸和易用性使 LTM4627 非常適合于空間受限的設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷