中心議題：
- 電源器件的小型化及封裝創(chuàng)新
- DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的功率耗散計(jì)算
- 功率與溫度的相關(guān)性
- 熱設(shè)計(jì)指南
- 計(jì)算DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的功率耗散
- DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的熱設(shè)計(jì)
精心選擇器件和良好的熱設(shè)計(jì)能幫助工程師優(yōu)化應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的超小型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功率密度的增加，同時(shí)還保證可靠性。
電源器件的小型化
終端用戶需要那些能夠提供豐富功能的超小型設(shè)備，如手機(jī)、便攜式媒體播放器(PMP)或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備等，這就要求設(shè)計(jì)人員在啟動(dòng)每個(gè)新的電路板設(shè)計(jì)時(shí)，使用更小的元器件。在數(shù)字集成電路(IC)方面，貫徹摩爾定律使元器件制造商能夠顯著減小芯片尺寸，同時(shí)還可提高器件性能和集成度。模擬IC的換代產(chǎn)品也提供與它們前一代產(chǎn)品相當(dāng)或更高的性能，而印刷電路板(PCB)的占位面積更小。電源半導(dǎo)體制造商也在追求小型化，利用更小的占位面積提供更高的功率處理能力，從而提供盡可能最高的功率密度。
然而，追求這個(gè)目標(biāo)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了更嚴(yán)格的熱管理挑戰(zhàn)。電源轉(zhuǎn)換期間損耗的能量以熱力的形式釋放，而減小元器件的尺寸(與產(chǎn)生的熱量有關(guān))會(huì)導(dǎo)致工作溫度升高。原因很簡(jiǎn)單，裸片越小，發(fā)散熱量的能力就越低。小型化可能帶來的不利后果包括低可靠性、不可預(yù)測(cè)的器件表現(xiàn)以及極端情況下器件的損毀。一般來說，結(jié)溫越高，器件失效的可能性就越高。
要想在現(xiàn)代便攜設(shè)備中成功使用超小型電源器件，就需要密切關(guān)注元器件和電路板兩級(jí)，將器件內(nèi)的發(fā)熱量降至最低，并確保能夠高效地移除熱量。
封裝創(chuàng)新
為了將生成的熱量減到最少，器件設(shè)計(jì)人員首先要考慮高的電源轉(zhuǎn)換效率。例如，對(duì)于負(fù)載點(diǎn)(PoL)穩(wěn)壓器等通用型應(yīng)用而言，開關(guān)轉(zhuǎn)換器就比線性轉(zhuǎn)換器更有優(yōu)勢(shì)。最好的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以提供95%到97%區(qū)間的峰值效率。
為了能夠有效地散熱，近年來涌現(xiàn)了多款小外形因數(shù)的新型電源封裝。這些封裝經(jīng)過優(yōu)化，將裸片與外殼之間的熱阻抗降至最低，使熱量能夠高效地從器件移除。
在針對(duì)便攜應(yīng)用的最新封裝中，諸如µDFN或µCSP這樣的超小型無鉛型封裝在底部集成了裸露金屬焊盤。焊盤向下焊接，將熱量直接傳導(dǎo)到PCB上。封裝尺寸可以是2mmx2mm或更小，這類封裝的器件能提供最大1.5 A左右的連續(xù)電流。
為了確保以盡可能大的輸出電流來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作并將使用壽命延至最長(zhǎng)，在采用這些器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要運(yùn)用合理的熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在電路板布線等方面考慮器件廠商的建議。
計(jì)算功率耗散
可以用等式1計(jì)算開關(guān)轉(zhuǎn)換器的功率耗散：
(等式1)
假定穩(wěn)壓器產(chǎn)生固定的輸出電壓值，在輸出電流最大和效率最低時(shí)功率耗散最大；而在環(huán)境溫度很高和輸入電壓最低時(shí)會(huì)出現(xiàn)能效最低的情況。
分析DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)可以論證如何計(jì)算最壞情況下必要的功率耗散，并了解功率耗散與封裝熱阻抗和允許的最高環(huán)境工作溫度之間有怎樣的相關(guān)性。
以安森美半導(dǎo)體的NCP1529 DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，該器件采用熱增強(qiáng)型2mmx2mmx0.5mm µDFN-6封裝或3mmx1.5mmx1mm TSOP5封裝，適合用于電池供電設(shè)備。NCP1529的輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，支持單個(gè)鋰離子電池或3個(gè)堿/鎳鎘/鎳氫電池供電，輸出電壓可在0.9V至3.9V之間調(diào)節(jié)，最大輸出電流為1.0A。此外，IC具有內(nèi)部熱關(guān)斷電路，防止在結(jié)溫超過最大值時(shí)器件受到災(zāi)難性損壞。如果溫度達(dá)到180℃，器件會(huì)被關(guān)斷，所有功率晶體管和控制電路也將被關(guān)斷。當(dāng)溫度溫度低于140℃時(shí)，器件會(huì)通過軟啟動(dòng)模式重新啟動(dòng)。
當(dāng)然，最佳的應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意降低關(guān)斷狀況發(fā)生的潛在機(jī)率，首先要做的工作之一便是清晰地了解工作效率。
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我們可以考慮這樣一款器件：提供1.2V IC內(nèi)核電壓，最高流經(jīng)900mA的電流。圖1顯示的是NCP1529在環(huán)境溫度為85℃、輸入電壓為2.7V、輸出電壓為1.2V的條件下不同輸出電流時(shí)的工作效率。輸出電流為0.9A時(shí)，器件的工作效率為60%。
圖1 Vin=2.7 V、Vout=1.2 V、溫度為85℃時(shí)的NCP1529能效
將這些數(shù)值代入等式1，得到下面的功率耗散最壞情況的表達(dá)式：
這個(gè)數(shù)字非常重要，可以幫助我們優(yōu)化各種應(yīng)用的熱性能。
功率與溫度的相關(guān)性
熱阻抗(RθJA)用于描述封裝將熱量從硅結(jié)點(diǎn)傳遞到外界環(huán)境中的能力。熱阻抗越低，器件就能夠越好地傳遞大量熱量。RθJA的表達(dá)單位為℃/W，因此我們?yōu)楣こ處熖峁┝艘粋€(gè)工具，可將以瓦(W)計(jì)算的電氣功率(耗散)與以攝氏度(℃)為單位的溫度關(guān)聯(lián)起來。
在最新電源器件的數(shù)據(jù)表中，往往宣稱器件的RθJA值極低。但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如果期望在終端產(chǎn)品中達(dá)到預(yù)期的性能，必須密切注意電路板布線和PCB的熱設(shè)計(jì)。NCP1529的數(shù)據(jù)表顯示了器件單獨(dú)的RθJA(µDFN-6封裝，220℃/W)，以及這款器件用于推薦的電路板布線時(shí)的RθJA(40℃/W)。這些數(shù)字顯示PCB設(shè)計(jì)對(duì)熱阻抗有顯著影響。事實(shí)上，遵從器件制造商的建議能夠?qū)⒂行У腞θJA降低5倍。
知道了RθJA和PDIP(max)，就可以使用下面的等式計(jì)算出應(yīng)用能夠承受的最大環(huán)境溫度：
此處，TJmax是器件能夠承受的最大結(jié)溫（NCP1529對(duì)應(yīng)的溫度為150℃）。
需要注意的是，NCP1529同時(shí)提供TSOP-5和µDFN-6封裝，我們可以快速地確定每種封裝選擇對(duì)工作性能的影響。表1歸納了各種封裝的功率耗散、封裝熱阻抗和計(jì)算出的最高環(huán)境溫度。
表1顯示，要想轉(zhuǎn)換器在最高的環(huán)境溫度下令人滿意地工作，封裝選擇是要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)事項(xiàng)。
表1：電氣域與熱域之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[page]
另一種評(píng)估封裝熱特性對(duì)應(yīng)用性能影響的方法是檢查功率下降曲線。圖2顯示了NCP1529的曲線，詳述了µDFN-6和TSOP-5封裝最大環(huán)境溫度閾值與功率耗散之間的關(guān)系。
圖2 IC功率下降特性曲線
環(huán)境溫度低于70℃時(shí)，TSOP-5和µDFN-6封裝都可以耗散720mW的功率，因此能滿足這一應(yīng)用的最壞情況要求。然而，µDFN-6封裝的功率耗散能力更強(qiáng)，與采用TSOP-5封裝的同等轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相比，能夠承受的溫度更高。
µDFN-6封裝的性能優(yōu)勢(shì)歸因于其熱增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，裸露的金屬焊盤顯著降低了裸片到PCB的熱阻抗。
熱設(shè)計(jì)指南
在每次計(jì)算中，TA值都假定是最佳可能的熱阻抗，也就是使用建議的電路板布線時(shí)所能達(dá)到的熱阻抗。如前文所述，電路板布線對(duì)器件熱性能以及相應(yīng)的應(yīng)用有極大影響。設(shè)計(jì)師在使用任何DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)都應(yīng)當(dāng)查詢所選元件的文檔，確保通過硬件實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)時(shí)能夠達(dá)到預(yù)期的性能。
熱性能的提高可以可以通過以下特性來優(yōu)化，譬如加設(shè)散熱通孔、將關(guān)鍵跡線(trace)寬度拓至最寬、使用對(duì)接地層或電源層的熱連接，或是指定熱性能增強(qiáng)的PCB材料（如絕緣金屬基板）。NCP1529的熱設(shè)計(jì)指南建議將VIN跡線加寬，并增加幾個(gè)通孔，建立多個(gè)對(duì)電源層的熱連接。此外，建議將穩(wěn)壓器的接地引腳連接至PCB頂層。頂層、底層及所有接地層之間應(yīng)當(dāng)使用空余的通孔來連接，從而增加散熱器的有效尺寸，而且這些通孔應(yīng)當(dāng)離得越近越好，或者在使用µDFN-6封裝時(shí)最好位于裸露焊盤底下。µDFN-6裸露焊盤必須被正確地焊接至PCB主散熱器。
當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員也必須牢記電路板布線對(duì)轉(zhuǎn)換器電氣性能的影響。優(yōu)化的熱布線應(yīng)當(dāng)具備輔助功能，如為大電流通道設(shè)置寬跡線，以及單獨(dú)的電源層和接地層等，將穩(wěn)壓器的噪聲免疫性和環(huán)路穩(wěn)定性提升至最佳。
圖3顯示了使用µDFN-6封裝的NCP1529時(shí)推薦的焊盤布線，顧及到了電氣和熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。紅色箭頭表示熱能由封裝流向周圍環(huán)境。
圖3 建議的NCP1529 μDFN-6電路板布線
結(jié)論
設(shè)計(jì)人員要在當(dāng)今便攜產(chǎn)品嚴(yán)苛的空間限制下應(yīng)用高性能DC-DC轉(zhuǎn)換器，必須密切注意工作條件、功率耗散、元器件性能和熱設(shè)計(jì)。與舊款的功率封裝相比，具有熱增強(qiáng)特性的最新小型封裝技術(shù)支持更高的功率耗散。便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過將這些最新小型封裝同板級(jí)的熱設(shè)計(jì)相結(jié)合，就能夠在小空間中視實(shí)現(xiàn)可靠的大電流設(shè)計(jì)。
