中心議題：
- 電源器件的小型化及封裝創(chuàng)新
- DC-DC開關轉換器的功率耗散計算
- 功率與溫度的相關性
- 熱設計指南
- 計算DC-DC開關轉換器的功率耗散
- DC-DC開關轉換器的熱設計
精心選擇器件和良好的熱設計能幫助工程師優(yōu)化應用于移動設備的超小型DC-DC轉換器設計，實現(xiàn)功率密度的增加，同時還保證可靠性。
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備，如手機、便攜式媒體播放器(PMP)或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備等，這就要求設計人員在啟動每個新的電路板設計時，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，同時還可提高器件性能和集成度。模擬IC的換代產品也提供與它們前一代產品相當或更高的性能，而印刷電路板(PCB)的占位面積更小。電源半導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，追求這個目標為系統(tǒng)設計人員帶來了更嚴格的熱管理挑戰(zhàn)。電源轉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(與產生的熱量有關)會導致工作溫度升高。原因很簡單，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、不可預測的器件表現(xiàn)以及極端情況下器件的損毀。一般來說，結溫越高，器件失效的可能性就越高。
要想在現(xiàn)代便攜設備中成功使用超小型電源器件，就需要密切關注元器件和電路板兩級，將器件內的發(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，器件設計人員首先要考慮高的電源轉換效率。例如，對于負載點(PoL)穩(wěn)壓器等通用型應用而言，開關轉換器就比線性轉換器更有優(yōu)勢。最好的開關轉換器可以提供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。
在針對便攜應用的最新封裝中，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現(xiàn)穩(wěn)定的工作并將使用壽命延至最長，在采用這些器件進行設計時，工程師需要運用合理的熱設計準則，在電路板布線等方面考慮器件廠商的建議。
計算功率耗散
可以用等式1計算開關轉換器的功率耗散：
(等式1)
假定穩(wěn)壓器產生固定的輸出電壓值，在輸出電流最大和效率最低時功率耗散最大；而在環(huán)境溫度很高和輸入電壓最低時會出現(xiàn)能效最低的情況。
分析DC-DC轉換器的設計可以論證如何計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性。
以安森美半導體的NCP1529 DC-DC轉換器為例，該器件采用熱增強型2mmx2mmx0.5mm µDFN-6封裝或3mmx1.5mmx1mm TSOP5封裝，適合用于電池供電設備。NCP1529的輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，支持單個鋰離子電池或3個堿/鎳鎘/鎳氫電池供電，輸出電壓可在0.9V至3.9V之間調節(jié)，最大輸出電流為1.0A。此外，IC具有內部熱關斷電路，防止在結溫超過最大值時器件受到災難性損壞。如果溫度達到180℃，器件會被關斷，所有功率晶體管和控制電路也將被關斷。當溫度溫度低于140℃時，器件會通過軟啟動模式重新啟動。
當然，最佳的應用設計應當注意降低關斷狀況發(fā)生的潛在機率，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內核電壓，最高流經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的工作效率。輸出電流為0.9A時，器件的工作效率為60%。
圖1 Vin=2.7 V、Vout=1.2 V、溫度為85℃時的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式：
這個數(shù)字非常重要，可以幫助我們優(yōu)化各種應用的熱性能。
功率與溫度的相關性
熱阻抗(RθJA)用于描述封裝將熱量從硅結點傳遞到外界環(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的表達單位為℃/W，因此我們?yōu)楣こ處熖峁┝艘粋€工具，可將以瓦(W)計算的電氣功率(耗散)與以攝氏度(℃)為單位的溫度關聯(lián)起來。
在最新電源器件的數(shù)據表中，往往宣稱器件的RθJA值極低。但系統(tǒng)設計人員如果期望在終端產品中達到預期的性能，必須密切注意電路板布線和PCB的熱設計。NCP1529的數(shù)據表顯示了器件單獨的RθJA(µDFN-6封裝，220℃/W)，以及這款器件用于推薦的電路板布線時的RθJA(40℃/W)。這些數(shù)字顯示PCB設計對熱阻抗有顯著影響。事實上，遵從器件制造商的建議能夠將有效的RθJA降低5倍。
知道了RθJA和PDIP(max)，就可以使用下面的等式計算出應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溫（NCP1529對應的溫度為150℃）。
需要注意的是，NCP1529同時提供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、封裝熱阻抗和計算出的最高環(huán)境溫度。
表1顯示，要想轉換器在最高的環(huán)境溫度下令人滿意地工作，封裝選擇是要重點關注的一個事項。
表1：電氣域與熱域之間的數(shù)據轉換[page]
另一種評估封裝熱特性對應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系。
圖2 IC功率下降特性曲線
環(huán)境溫度低于70℃時，TSOP-5和µDFN-6封裝都可以耗散720mW的功率，因此能滿足這一應用的最壞情況要求。然而，µDFN-6封裝的功率耗散能力更強，與采用TSOP-5封裝的同等轉換器設計相比，能夠承受的溫度更高。
µDFN-6封裝的性能優(yōu)勢歸因于其熱增強型結構，裸露的金屬焊盤顯著降低了裸片到PCB的熱阻抗。
熱設計指南
在每次計算中，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所能達到的熱阻抗。如前文所述，電路板布線對器件熱性能以及相應的應用有極大影響。設計師在使用任何DC-DC轉換器時都應當查詢所選元件的文檔，確保通過硬件實現(xiàn)該設計時能夠達到預期的性能。
熱性能的提高可以可以通過以下特性來優(yōu)化，譬如加設散熱通孔、將關鍵跡線(trace)寬度拓至最寬、使用對接地層或電源層的熱連接，或是指定熱性能增強的PCB材料（如絕緣金屬基板）。NCP1529的熱設計指南建議將VIN跡線加寬，并增加幾個通孔，建立多個對電源層的熱連接。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當使用空余的通孔來連接，從而增加散熱器的有效尺寸，而且這些通孔應當離得越近越好，或者在使用µDFN-6封裝時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。
當然，設計人員也必須牢記電路板布線對轉換器電氣性能的影響。優(yōu)化的熱布線應當具備輔助功能，如為大電流通道設置寬跡線，以及單獨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時推薦的焊盤布線，顧及到了電氣和熱設計注意事項。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
結論
設計人員要在當今便攜產品嚴苛的空間限制下應用高性能DC-DC轉換器，必須密切注意工作條件、功率耗散、元器件性能和熱設計。與舊款的功率封裝相比，具有熱增強特性的最新小型封裝技術支持更高的功率耗散。便攜系統(tǒng)設計人員通過將這些最新小型封裝同板級的熱設計相結合，就能夠在小空間中視實現(xiàn)可靠的大電流設計。
