大功率、可扩展、封装占板面积很小、产生热量更少的 POL 稳压器已经出现
将热量从封装内部引导到封装顶部并扩散到空气中
大功率开关 POL 稳压器靠电感器或变压器将输入电源电压转换成稳定的输出电压。非隔离式降压型 POL 稳压器使用一个电感器,该电感器以及 MOSFET 等伴随的开关组件在 DC/DC 转换时产生热量。大约 10 年前,由于封装技术的进步,包括磁性组件在内的整个 DC/DC 稳压器电路可以装入一个模制塑料封装中,称为模块或 SiP,模制塑料封装内部产生的大部分热量必须从封装底部引导到 PCB。提高封装散热能力的任何传统方法都会导致封装变大,例如在表面贴装封装顶部附着一个散热器。
不过,3 年前出现了一种创新性模块封装方法,该方法利用可用气流实现器件冷却。散热器集成到模块封装内部,是完全模制的。该散热器形状独特,一端在封装内连接到发热源 MOSFET 和电感器,另一端是一个平坦的表面,暴露于封装顶部。凭借这种新型封装和内置散热器技术,器件可以在某些气流的作用下快速冷却,因为在封装顶部,平坦的散热器表面与空气接触,空气可以从封装顶部带走热量 (参见 TechClip 视频中的 LTM4620 数据表)。另一种提高大功率 POL 稳压器热性能的封装理念又将这种方法向前推进了一步。
以叠置电感器作为散热器的 POL 模块型稳压器
POL 稳压器中电感器的大小取决于很多因素,其中包括电压、开关频率、需处理的电流及其结构。采取模块化方法时,包括电感器的 DC/DC 电路是完全模制的,密封在一种塑料封装中,看起来就像一个 IC 一样,电感器的大小决定封装的厚度、体积和重量。电感器还是个发热组件,提高了 POL 模块型稳压器的内部总体温度。之前讨论的方法,即在封装中集成散热器以将 MOSFET 和电感器的热量传导到封装顶部,这是非常有用的,可以将封装内部的热量从封装顶部快速传递到封装外部,并最终传递到空气中,这种散热器是一种冷却板或称无源散热器。不过,这种方法适用于尺寸和电流都较小的电感器,这种电感器很容易放入塑料模制封装中。功率较大的 POL 稳压器需要使用尺寸和电流都较大的电感器,将这样的磁性组件放入封装中,会使电路的其他组件被挤到旁边,因此增大了封装在 PCB 上占用的面积。较大的占板面积意味着较重的封装。为了保持较小的占板面积,并进一步改进散热,封装工程师已经开发出另一种方法:垂直、叠置或 3D 封装 (图 1)。
图 1:用于大功率 POL 稳压器模块的 3D 或垂直封装技术升高了电感器放置位置,将其作为散热器裸露于气流中。DC/DC 电路的其余部分安装在电感器下面的衬底中,以使封装占用较小的 PCB 面积,并提高其热性能。
Model Construction without Mold:未模制的模型结构
High Current Carrying Paths to Power Inductor:进入功率电感器的大电流通路
More Effective Use of Substrate Copper for both Lower Impedance Board Connections and Better Thermals:更有效地用铜衬底降低电路板连接阻抗并改进散热
Topside Heat Sinking Utilizing Power Inductor:将功率电感器放置在封装顶部起散热作用
POWER INDUCTOR:功率电感器
AIRFLOW:气流
Excellent Thermal Conduction:出色的热传导
具裸露叠置电感器的 3D 封装:占板面积很小、功率提高、散热性能改善
采用 3D 封装这种构造 POL 稳压器的新方法,可以同时获得 PCB占板面积很小、功率更大、热性能更高这 3 个优点 (图 1 和图 2)。LTM4636 是一款µModule (微型模块) 稳压器,具内置 DC/DC 稳压器 IC、MOSFET、支持性电路以及一个大的电感器,可降低输出纹波,提供高达 40A 的负载电流,并从 12V 输入提供精确稳定的 3.3V 至 0.6V 输出电压。4 个 LTM4636 器件可以均分电流,以提供 160A 负载电流。该器件的占板面积为仅为 16mm x 16mm。如果计算一下,功率密度是非常高的。不过,要记得不要被数字愚弄。对系统设计师而言,这款 µModule 稳压器的好处是热性能,以及令人印象深刻的 DC/DC 转换效率和散热能力。
图 2:LTM4636 用叠置电感器作为散热器,以很小的占板面积实现了令人印象深刻的热性能
为了保持很小的占板面积 (16mm x 16mm BGA),占板面积很大的电感器升高了放置位置,并固定在两个铜线框之上,以便其余电路组件 (二极管、电阻器、MOSFET、电容器、DC/DC IC) 能够焊接在电感器下面的衬底上。如果电感器放置在衬底上,那么 µModule 稳压器可能很容易就占用超过 1225 平方毫米的 PCB 面积,而不是现在的 256 平方毫米。这种方法使系统设计师能够设计出更加紧凑的
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