從事高效、緊湊式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)藝術(shù)的是一群精英工程師，他們對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)相關(guān)物理學(xué)原理和相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)有著深入的理解，還擁有豐富的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)。憑借對(duì)波特圖、麥克斯韋方程組以及極點(diǎn)和零點(diǎn)的深入理解，他們可以打造出優(yōu)雅的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。然而，IC設(shè)計(jì)師通常會(huì)回避棘手的散熱問題--這項(xiàng)工作通常屬于封裝工程師的職責(zé)范圍。
在負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器中，專用IC之間的空間有限，因此散熱是個(gè)大問題。POL調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生熱量，因?yàn)椋壳埃┻€沒有電壓轉(zhuǎn)換的效率能達(dá)到100%。受結(jié)構(gòu)、布局和熱阻影響，封裝會(huì)變得多熱？封裝的熱阻不僅會(huì)提高POL調(diào)節(jié)器的溫度，還會(huì)增加PCB及周圍組件的溫度，因而會(huì)增加系統(tǒng)散熱機(jī)制的復(fù)雜性、尺寸和成本。
PCB上的DC-DC轉(zhuǎn)換器封裝主要有兩種散熱方式：
通過PCB散熱：
如果轉(zhuǎn)換器IC采用表貼封裝，則PCB上的導(dǎo)熱性銅通孔和隔層會(huì)從封裝底部散熱。如果封裝對(duì)PCB的熱阻很低，采用這種散熱方式足矣。
增加氣流：
利用冷氣流去除封裝的熱量（更準(zhǔn)確地說，熱量被轉(zhuǎn)移到與封裝表面接觸的快速運(yùn)動(dòng)的較冷空氣分子中）。
當(dāng)然還有被動(dòng)式散熱法和主動(dòng)式散熱方法，但為簡(jiǎn)化討論，我們將它們視為第二類的子集。
面對(duì)上升的組件溫度，PCB設(shè)計(jì)師可以從標(biāo)準(zhǔn)散熱工具箱里去找常用的工具，比如增加銅，加裝散熱器，使用更大、更快的風(fēng)扇，也可以簡(jiǎn)單地增加空間--使用更多PCB空間，增加PCB上組件之間的距離，或者增加PCB層的厚度。
任何這些工具都可以用在PCB上，使系統(tǒng)溫度維持在安全限值以內(nèi)，但是使用這些補(bǔ)救措施會(huì)降低最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品（如路由器）可能需要使用更大的外殼，才能在PCB上為組件留出必要的間隔空間；如果加裝速度更快的風(fēng)扇以增加氣流，結(jié)果可能會(huì)增加噪聲。這可能會(huì)使最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上失去優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠髽I(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在緊湊性、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)速率、效率和成本等方面。
要在高功耗POL調(diào)節(jié)器周圍成功實(shí)現(xiàn)散熱管理，就需要選擇正確的調(diào)節(jié)器，而這又要求進(jìn)行仔細(xì)的研究。本文將展示如何通過選擇正確的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)師的工作。
切勿僅憑功率密度來判斷POL調(diào)節(jié)器
市場(chǎng)上有多種因素要求我們完善電子設(shè)備的散熱性能。最為明顯的是，即使產(chǎn)品尺寸不斷縮小，性能也會(huì)持續(xù)提升。例如，28 nm至20 nm和亞20 nm級(jí)的數(shù)字器件需要較大功耗才能達(dá)到性能要求，因?yàn)閯?chuàng)新設(shè)備設(shè)計(jì)師要用這些小型工藝生產(chǎn)更快、更小、更安靜、更高效的器件。從這一趨勢(shì)可以得出的明顯結(jié)論是POL調(diào)節(jié)器必須提高功率密度：(功率)/(體積)或(功率)/(面積)。
不足為奇的是，在有關(guān)調(diào)節(jié)器的文獻(xiàn)中，功率密度一般被當(dāng)作一項(xiàng)重要指標(biāo)。較大的功率密度可使調(diào)節(jié)器脫穎而出--當(dāng)設(shè)計(jì)師從眾多調(diào)節(jié)器中進(jìn)行選擇時(shí)可以作為參考指標(biāo)。40 W/cm2 POL的調(diào)節(jié)器必然優(yōu)于30 W/cm2的調(diào)節(jié)器。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)師想把更高的功率塞進(jìn)更緊湊的空間中--乍一看，超高的功率密度數(shù)值似乎是實(shí)現(xiàn)最快、最小、最安靜、最高效的產(chǎn)品的最佳途徑，就如用馬力比較汽車性能一樣。但是，功率密度在實(shí)現(xiàn)成功的最終設(shè)計(jì)方面到底有多重要？可能不如你想像的重要。
POL調(diào)節(jié)器必須符合其應(yīng)用的要求。選擇POL調(diào)節(jié)器時(shí)，必須確保其具備在PCB上完成任務(wù)的能力，因?yàn)闊崃刻幚砑瓤赡艹删蛻?yīng)用，也可能毀掉應(yīng)用。以下是針對(duì)POL調(diào)節(jié)器的逐步選擇流程建議，其中突出了熱性能的重要性：
忽略功率密度數(shù)值：
功率密度指標(biāo)忽略了熱衰減問題，但該問題對(duì)真實(shí)有效功率密度的影響要大得多。
檢查調(diào)節(jié)器的熱衰減曲線：
配有完整文檔并且技術(shù)指標(biāo)齊全的POL調(diào)節(jié)器應(yīng)該配有對(duì)應(yīng)的圖形，其中標(biāo)示了不同輸入電壓、輸出電壓和風(fēng)速下的輸出電流。數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)該展示POL調(diào)節(jié)器在真實(shí)工作條件下的輸出電流能力，以便從熱性能和負(fù)載電流性能的角度判斷調(diào)節(jié)器的適用性。是否符合系統(tǒng)的典型和最大環(huán)境溫度和風(fēng)速要求？記住，輸出電流熱衰減與器件的熱性能相關(guān)。二者密切相關(guān)，同等重要。
效率考慮
是的，效率不是第一考慮因素。獨(dú)立使用時(shí)，效率結(jié)果可能無法準(zhǔn)確體現(xiàn)DC-DC調(diào)節(jié)器的熱特性。當(dāng)然，效率值對(duì)于計(jì)算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功率損耗和結(jié)溫是必不可少的。效率值必須與輸出電流衰減和與器件及其封裝相關(guān)的其他熱數(shù)據(jù)結(jié)合使用。
例如，效率為98%的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器是非常不錯(cuò)的；如果它的功率密度值也非常出色，無異于錦上添花。與效率更低、功率密度更低的調(diào)節(jié)器相比，你會(huì)買它嗎？精明的工程師應(yīng)該問問看似不重要的2%效率損失有什么影響。在運(yùn)行過程中，這些功耗會(huì)對(duì)封裝溫度的升高產(chǎn)生什么樣的影響？在60°C環(huán)境溫度以及200 LFM（線性英尺/分）的風(fēng)速下，高功率密度型高效調(diào)節(jié)器的結(jié)溫有多高？不要只看25°C室溫下的典型值。極溫下的最大值和最小值是多少：?40°C、+85°C或+125°C？高功率密度下，封裝熱阻會(huì)升高到非常高的水平使結(jié)溫快速超過安全工作溫度嗎？效率很高但價(jià)格昂貴的調(diào)節(jié)器要求多少衰減？衰減輸出電流值會(huì)不會(huì)削弱輸出功率性能，從而使器件的額外成本失去意義？
考慮POL調(diào)節(jié)器冷卻的便利性：
數(shù)據(jù)手冊(cè)中的封裝熱阻值是模擬和計(jì)算器件結(jié)溫、環(huán)境溫度和外殼溫度的關(guān)鍵。由于表貼式封裝中會(huì)有大量熱量從封裝底部流到PCB電路板，所以，必須在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明有關(guān)熱量測(cè)量的布局指引和討論結(jié)果，以減少系統(tǒng)原型開發(fā)過程出現(xiàn)的突發(fā)情況。
設(shè)計(jì)精良的封裝應(yīng)該通過表面高效、均勻地散熱，從而消除可能導(dǎo)致POL調(diào)節(jié)器性能出現(xiàn)衰減的熱點(diǎn)。如上所述，PCB負(fù)責(zé)吸收和路由來自表貼式POL調(diào)節(jié)器的大部分熱量。隨著強(qiáng)制氣流散熱方式在當(dāng)今的高密度和高復(fù)雜度的系統(tǒng)中日漸流行，設(shè)計(jì)精良的POL調(diào)節(jié)器也應(yīng)該利用這一免費(fèi)的冷卻機(jī)會(huì)，為MOSFET、電感等發(fā)熱部件散熱。
把熱量從封裝頂部引至空氣中
高功率開關(guān)POL調(diào)節(jié)器用電感或變壓器把輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出電壓。在非隔離式降壓POL調(diào)節(jié)器中，器件采用電感。電感和相關(guān)開關(guān)元件（如MOSFET）在DC-DC轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生熱量。
大約十年前，封裝技術(shù)取得顯著進(jìn)步，使得包括磁體在內(nèi)的整個(gè)DC-DC調(diào)節(jié)器電路均可被設(shè)計(jì)和安裝在稱為模塊或SiP的超模壓塑封裝中。在該超模壓塑封裝中，產(chǎn)生的大部分熱量都被通過封裝底部路由至PCB。試圖改善封裝散熱能力的任何常規(guī)做法（比如在表貼封裝頂部加裝一個(gè)散熱器）都會(huì)增大封裝尺寸。
幾年前，一種新型模塊封裝技術(shù)被開發(fā)出來，利用氣流輔助冷卻。在該封裝設(shè)計(jì)中，一個(gè)散熱器被集成到模塊封裝當(dāng)中并經(jīng)嵌件注塑處理。在封裝內(nèi)部，散熱器底部直接連接MOSFET和電感，散熱器的頂面則是一個(gè)平面，裸露在封裝頂部。借助這種新型封裝內(nèi)散熱技術(shù)，用氣流即可使器件快速冷卻下來（有關(guān)示例，請(qǐng)點(diǎn)擊此處，觀看LTM4620 TechClip視頻）。
采用垂直模式：以堆疊式電感作為散熱器的POL模塊調(diào)節(jié)器
POL調(diào)節(jié)器中的電感的大小取決于電壓、開關(guān)頻率、電流處理性能及其結(jié)構(gòu)。在模塊化設(shè)計(jì)中，DC-DC電路（包括電感）被超模壓塑并密封在塑料封裝中，與IC類似；電感而非任何其他組件決定封裝的厚度、體積和重量。電感也是一個(gè)重要的熱源。
把散熱器集成到封裝中有助于將來自MOSFET和電感的熱量傳導(dǎo)至封裝頂部，從而散發(fā)到空氣、冷板或無源散熱器中。在可以輕松將較小的低電流電感裝進(jìn)封裝塑料模具材料的情況下，這種技術(shù)非常有效；但在POL調(diào)節(jié)器需要采用大型高電流電感的情況下，由于要把磁體裝進(jìn)封裝就必須擴(kuò)大其他電路組件的間距，會(huì)大幅增大封裝PCB占位面積，所以其有效性會(huì)大打折扣。為了既保持較小的占位面積又改進(jìn)散熱性能，封裝工程師開發(fā)了另一種技術(shù)--垂直、堆棧或稱3D（圖1）。
Copper Clips Provide High Current Paths to Inductor While Elevating It Above the Substrate, Reducing Layout Area Required for the μModule Package
銅夾片為電感提供高電流路徑，同時(shí)將電感提升至襯底上方，減少μModule封裝所需布局面積
Inductor on Top of the Molded μModule Package Is Exposed to Airflow, Acting as a Heat Sink to Remove Heat from the Top
壓塑成型μModule封裝頂部的電感暴露于氣流下，充當(dāng)頂部熱量的散熱器
144 BGA Solder Balls with Banks Dedicated to GND, VIN, and VOUT; Collectively, These Solder Balls Act as a Heat Sink to the PCB
144個(gè)BGA焊球，帶GND、VIN和VOUT專用庫這些焊球共同充當(dāng)PCB的散熱器
Copper in Substrate Helps Lower Both Electrical and Thermal Impedance
襯底中的銅有助于降低電阻和熱阻
圖1.高功率POL調(diào)節(jié)器模塊運(yùn)用3D（垂直）封裝技術(shù)升高電感位置并使電感作為散熱器暴露在氣流下。剩下的DC-DC電路裝配在電感下方的襯底上，既能減少需要的PCB面積，又能改善熱性能。
采用裸露堆疊式電感的3D封裝：保持較小的占位面積，提高功率，完善散熱
較小的PCB占位面積、更高的功率和更好的散熱性能--有了3D封裝（一種新型POL調(diào)節(jié)器構(gòu)造方法，見圖1），可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo)。LTM4636是一款μModule?調(diào)節(jié)器，板載DC-DC調(diào)節(jié)器IC、MOSFET、支持電路和一個(gè)大型電感，可減少輸出紋波，提供最高40 A的負(fù)載電流，輸入電壓為12 V，精密調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為0.6 V至3.3 V。4個(gè)LTM4636器件并聯(lián)可以通過電流共享方式提供160 A的負(fù)載電流。封裝的占位面積僅為16 mm × 16 mm。該系列另有一款調(diào)節(jié)器LTM4636-1，可以檢測(cè)過溫和輸入/輸出過壓條件，并且能斷開上行電源或斷路器以保護(hù)自己及其負(fù)載。
功率至上者可以計(jì)算LTM4636的功率密度，并對(duì)計(jì)算得到的數(shù)值感到滿意--但如前所述，功率密度數(shù)值并非全部。這款μModule調(diào)節(jié)器還能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工具箱帶來其他顯著優(yōu)勢(shì)：卓越的DC-DC轉(zhuǎn)換效率和無與倫比的散熱能力成就出色的散熱性能。
為了盡量減小調(diào)節(jié)器的占位面積(16 mm × 16 mm BGA)，將電感抬高并固定在兩個(gè)銅引線框架上，以便把其他電路組件（二極管、電阻、MOSFET、電容、DC-DC IC）裝在其下方的襯底上。如果將電感裝在襯底上，μModule調(diào)節(jié)器可以輕松占用超過1225 mm2而非256 mm2的PCB面積（圖2）。
Footprint of LTM4636 3D Designs
LTM4636 3D設(shè)計(jì)的占位面積
(Inductor on Top) 256 mm2
（電感置于頂部）256 mm2
Footprint of Non-3D Construction Equivalent Functionality
功能相同的非3D結(jié)構(gòu)的占位面積
(Inductor on Substrate) 1255 mm2
（電感置于襯底上）1255 mm2
圖2.作為一款完整的POL解決方案，LTM4636堆疊式電感兼任散熱器之職，可實(shí)現(xiàn)卓越的散熱性能，具有占位面積小巧的特點(diǎn)。
借助堆疊式電感結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師既可打造出緊湊的POL調(diào)節(jié)器，同時(shí)還可享有卓越的散熱性能。與其他組件不同，LTM4636中的堆疊式電感未采用超模壓塑（密封）封裝，而是直接暴露在氣流下。電感外殼的形狀采用圓角設(shè)計(jì)，以提高空氣動(dòng)態(tài)性能（減少對(duì)氣流的阻礙）。
圖3.LTM4636的模擬散熱行為顯示，熱量可以被輕松轉(zhuǎn)移到暴露在氣流下的電感封裝上。
散熱性能和效率
LTM4636是一款支持40 A輸出電流的μModule調(diào)節(jié)器，采用3D封裝技術(shù)或組件封裝(CoP)技術(shù)，如圖1所示。封裝主體是16 mm × 16 mm × 1.91 mm超模BGA封裝。LTM4636的電感堆疊于超模成型部分的頂部，從BGA焊球（共144個(gè)）底部到電感頂部的封裝總高度為7.16 mm。
除了從頂部散熱以外，LTM4636還采用了專門設(shè)計(jì)，可以高效地把來自封裝底部的熱量散發(fā)到PCB。這款器件有144個(gè)BGA焊球，高電流在GND、VIN和VOUT專用庫中流動(dòng)。這些焊球共同充當(dāng)PCB的散熱器。LTM4636經(jīng)過優(yōu)化，可以同時(shí)散發(fā)來自封裝頂部和底部的熱量，如圖3所示。
即使在較大轉(zhuǎn)換比、12 V輸入/1 V輸出、40 A (40 W)的全負(fù)載電流和200 LFM的標(biāo)準(zhǔn)氣流條件下，LTM4636封裝的溫度也只會(huì)比環(huán)境溫度（25°C至26.5°C）高40°C。圖4所示為L(zhǎng)TM4636在這些條件下的熱圖。