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 POL 稳压器布局，不过该方法还有一个非常大的好处，它可实现良好的热性能。

LTM4636 中的叠置电感器不是与塑料封装一起模制 (密封) 的。其余组件则是模制的。电感器有圆滑的边角且结构体是升高的，便于裸露于空气中，空气更容易在其周围和上部流动 (流动阻力最小)。