两种方法来减少PCB上转换器封装热量

设计高效和紧凑型 DC/DC 转换器的技巧由一群对转换设计所涉及之物理学和支持性数学知识有着深入了解、同时兼具一定程度之工作台经验的工程师负责实行。对于博德图、麦克斯韦方程组的深刻理解以及针对极点和零点的关注融入到了精致的 DC/DC 转换器设计中。然而，IC 设计师通常避开了对令人担忧之热问题的处置，这项工作常常落在封装工程师的身上。

对于负载点 (POL) 转换器而言，热量是个大问题，这类转换器空间紧凑，容纳了很多需要小心对待的 IC。POL 稳压器之所以产生热量，是因为还没有电压转换效率能达到 100%。结构、布局和热阻能使封装发热到什么程度? 封装的热阻不仅使 POL 稳压器的温度升高，还使 PCB 及周围组件的温度升高，因此增大了系统散热方案的复杂性、尺寸和成本。

人们主要通过两种方法来减少 PCB 上 DC/DC 转换器封装的热量：

• 通过 PCB 散热：如果转换器 IC 能够表面贴装，那么 PCB 中能传导热量的铜质通孔和铜箔层可以从封装底部散出热量。如果封装至 PCB 的热阻足够低，那么用这种方法就能够充分散热。

• 增加空气流动：冷的气流可以给封装散热 (或者更准确地说，热量传递到了与封装表面接触和温度更低且快速运动的空气分子中)。

当然，存在无源和有源散热方法，为讨论简便起见，我们把无源和有源散热方法都归为上述第二种方法的子集。

当面对组件温度上升问题时，PCB 设计师可以在一些标准散热方法中寻找常用方法：使用更多的铜、散热器或更大、更快的风扇，或者只是更大的空间─增大 PCB 空间和 PCB 上组件之间的距离或加厚 PCB 层。

上述任一方法都可用来在 PCB 上使系统保持在安全温度限度内，但是采用这些方法有可能降低最终产品的市场竞争优势。最终产品 (例如路由器) 也许因此需要更大的外壳以容许在 PCB 上进行必要的组件分隔，或者也许因为增加更快速的风扇以增强空气流动而变得噪声相对较大。在各公司凭借紧凑性、计算能力、数据传输速率、效率和成本优势参与竞争的市场上，这就可能使最终产品显得较差。

要围绕大功率 POL 稳压器实现成功的热量管理需要选择恰当的稳压器，这需要进行细致的调研。本文展示怎样选择稳压器才能简化电路板设计师的工作。

若干市场因素导致需要改进电子设备的热性能。最显然的是：即使产品尺寸在缩小，性能却不断改进。例如， 28nm 至 20nm 和低于 20nm 的数字器件消耗更大的功率以提高性能，因为创新性设备的设计师运用尺寸更小的工艺技术制造速度更快、更纤巧、噪声更低和效率更高的器件。从这种趋势可以得出显然的结论，POL 稳压器必须提高功率密度：(功率)/(体积) 或者 (功率)/(面积)。

在有关稳压器的文献中，功率密度常常出现在性能规格的标题中，这并不意外。出色的功率密度能够使稳压器脱颖而出，当设计师在大量可用稳压器之中进行选择时，这样的功率密度成为可引用的规格参数。一个 40W/cm2 的稳压器一定好于一个 30W/cm2 的稳压器。

产品设计师要想在空间更加拥挤的情况下提供更大的功率，出色的功率密度数字会首先闪现在脑海中，成为实现最快、最小、最安静、最高效产品的显然途径，如同用马力比较汽车性能一样。但是，在实现成功的最终设计时，功率密度有多重要? 重要性比想象的低。

一个 POL 稳压器必须满足其应用的需求。在选择 POL 稳压器时，必须确保其能够在 PCB 上完成任务，在 PCB 上，热量处理可能成就该应用，也可能毁了该应用。以下推荐的一步一步选择 POL 稳压器的过程就优先考虑了热性能：

• 忽视功率密度数字：功率密度规格忽视了热降额问题，而热降额对有效、真实的 "功率密度" 有相当大的影响。

• 查看稳压器的热降额曲线：一个详细叙述、特征完备的 POL 稳压器应该有一些图形，规定了在不同输入电压、输出电压和气流速度时的输出电流。数据表中应该显示 POL 稳压器在真实工作条件下的输出电流能力，以便按照其热性能和负载电流能力判断该稳压器是否合适。它满足系统的典型和最高环境温度及气流速度要求吗? 请记住，输出电流降额与器件的热性能有关。这两点密切相关，同等重要。

• 考虑效率问题：是的，效率不是第一个需要考虑的问题。当单独考虑时，效率值可能不代表准确的 DC/DC 稳压器热特性。当然，在计算输入电流和负载电流、输入功耗、功耗及结温时，需要效率数字。但是，效率值必须与输出电流降额以及其他与器件及其封装有关的热量数据结合起来考虑。

• 例如，效率为