小面積支援高功率    3D封裝搞定POL穩壓器散熱

POL穩壓器之所以產生熱量，是因為沒有電壓轉換效率能夠達到100%。如此一來就產生了一個問題，由封裝結構、布局和熱阻導致的熱量會有多大？封裝的熱阻不僅提高POL穩壓器的溫度，還提高印刷電路板(PCB)及周圍元件的溫度，並使得系統散熱設計更加複雜。 

元件安裝到PCB上後，消除封裝產生的熱量主要有兩種方法： 

・採用表面黏著方式時，將熱量傳導到銅質PCB層，從封裝底部散熱。 

・透過冷氣流從封裝頂部散熱，或者更準確地說，熱量被傳遞到與封裝頂部表面接觸、溫度更低、快速運動的空氣分子中。 

當然，還有一些被動和主動散熱方法，為討論簡便起見，我們將這些方法統統歸入上述第二個類別。因此，從熱量管理的角度來看，要保持包括DC/DC POL穩壓器在內的整個系統在安全的溫度範圍內運行，更多銅質PCB層、更大的PCB面積、更厚的PCB層、在PCB上分散擺放組件、更大和轉速更快的風扇等都是好主意。主意雖好，但對小型、大功率POL穩壓器進行熱量管理時，是否還有其他可行的方法？ 

儘管上述某些、或所有方法對限制系統熱量都很有效，但是採用這些散熱方法也許會使系統或最終產品失去競爭優勢。最終產品(例如路由器)可能由於故意在PCB上擴大元件之間的距離而變得太大，由於風扇數量增加和氣流快速進出發熱的電路而導致可聽見的噪音增大，這些因素最終也許會使產品成為市場上的劣等品，因為，為了在競爭中勝出，各公司都不斷在精巧度、運算能力、資料傳輸速率、效率、冷卻成本等方面進行提升。28nm、20nm和低於20nm的數位元件提供更高性能，但功耗更大，而設備供應商則在憑藉更快、更小、雜訊更低、效率更高的創新相互比拼。新型數位技術能力超群、令人振奮，但背後仍然存在類比和電源技術角力，以在封裝更小的情況下提供更大功率，同時最大限度減小對系統總體溫度的影響。具備較高功率密度的POL穩壓器似乎是一個不錯的選擇：這種穩壓器尺寸較小，但功率較大。 

功率密度數值判斷POL穩壓器適合與否 

每平方(或立方)釐米40W的POL穩壓器應該優於每平方釐米30W的穩壓器。銷售業者運用功率密度優勢銷售產品，系統設計者對穩壓器功率密度的要求逐年提高，以憑藉下一版更快、更小、雜訊更低、效率更高的產品與對手競爭。在選擇「更好的」POL穩壓器時，更高的功率密度數值是決定性因素嗎？本文從下述幾個方面來考慮這個問題。 

首先，把功率密度數值放在一邊，研究一下POL穩壓器的資料表，找到熱量降額曲線。描述詳盡的POL穩壓器資料表應該有很多這類曲線，分別規定了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時的輸出電流、輸出電壓和氣流速度。換句話說，這樣的資料表應該顯示在具體電路條件下POL穩壓器的輸出電流能力，如此，設計者才能夠根據穩壓器的熱量和負載電流能力判斷其是否適用。穩壓器是否滿足系統的典型和最高環境溫度及氣流速度要求？請記住，輸出電流降額與元件的熱性能有關。這兩個因素密切相關，同等重要。 

其次是效率，效率問題不在第一位，而是在第二位。單提效率會產生誤導，僅用效率來表述一個DC/DC穩壓器的熱特性是不準確的。還需要計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功耗、結溫...等等。不過，為了進一步說明這個問題，應該在考慮輸出電流降額以及其他與元件及其封裝有關之熱量資料的同時，研究效率數值。例如，一個效率為98%的DC/DC降壓型轉換器會給人留下極其深刻的印象。更加令人讚歎的是，這款轉換器還聲稱具備出色的功率密度數值。那麼，你會不會買這個元件？  

一位資深的工程師應該問問2%的效率損失有什麼影響。這種效率損失是怎樣轉換成封裝溫度上升的？這種高功率密度和高效率穩壓器在60℃環境溫度和200LFM氣流時結溫是多少？要突破25℃室溫時的典型數值來思考問題。在40℃、85℃或125℃的極端溫度時測得的最大值和最小值是多少？如果封裝熱阻過高、結溫上升到安全工作溫度範圍以外時怎麼辦？如果這款昂貴的穩壓器必須降額到很低的輸出電流值，那麼會不會因輸出功率能力減弱而使該元件的高價格不再合理？ 

最後一個需要考慮的因素是這款POL穩壓器是否易於冷卻。資料表中提供的封裝熱阻值是模擬和計算該元件的接面溫度、環境溫度以及外殼溫度上升的關鍵資料。由於表面黏著封裝的大部分熱量都是從封裝底部擴散到PCB，所以資料表中必須明確說明布局指導原則和各種熱量測量條件及方法，以免在後續形成系統原型時出現意外。 

設計良好的封裝應該能夠高效率地透過所有封裝表面均勻散熱，以消除熱量集中問題和熱點，這些問題會降低POL穩壓器的可靠性，應該消除或減輕。如之前所述，PCB負責吸收表面貼裝POL穩壓器的熱量並提供散熱途徑，不過，在如今密集、複雜的系統中，氣流是很常見，因此一種設計思路更加聰明的POL穩壓器利用了這種「免費」冷卻機會，用來去除金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、電感器等發熱元件產生的熱量。 

由內到外散發封裝熱量 

大功率開關POL穩壓器靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉換成穩定的輸出電壓。非隔離式降壓型POL穩壓器使用一個電感器，該電感器以及MOSFET等伴隨的開關元件在DC/DC轉換時產生熱量。大約10年前，由於封裝技術的進步，包括磁性元件在內的整個DC/DC穩壓器電路可以裝入一個模制塑膠封裝中，稱為模組或系統封裝(SiP)，模制塑膠封裝內部產生的大部分熱量必須從封裝底部引導到PCB。提高封裝散熱能力的任何傳統方法都會導致封裝變大，例如在表面黏著封裝頂部附著一個散熱片。 

不過，3年前出現了一種創新性模組封裝方法，該方法利用可用氣流實現元件冷卻。散熱片整合到模組封裝內部，是完全模制的。該散熱片形狀獨特，一端在封裝內連接到發熱源MOSFET和電感器，另一端是一個平坦的表面，暴露於封裝頂部。憑藉這種新型封裝和內建的散熱片技術，元件可以在某些氣流的作用下快速冷卻，因為在封裝頂部，平坦的散熱片表面與空氣接觸，空氣可以從封裝頂部帶走熱量。另一種提高大功率POL穩壓器熱性能的封裝理念又將這種方法向前推進了一步。 

提高散熱效能　 POL穩壓器採用疊置電感器 

POL穩壓器中電感器的大小取決於很多因素，其中包括電壓、開關頻率、需處理的電流及其結構。採取模組化方法時，包括電感器的DC/DC電路是完全模制的，密封在一種塑膠封裝中，看起來就像一個IC一樣，電感器的大小決定封裝的厚度、體積和重量。電感器還是個發熱元件，提高了POL模組型穩壓器的內部總體溫度。之前討論的方法，即在封裝中整合散熱片以將MOSFET和電感器的熱量傳導到封裝頂部，這是非常有用的，可以將封裝內部的熱量從封裝頂部快速傳遞到封裝外部，並最終傳遞到空氣中，這種散熱片是一種冷卻板或稱被動散熱片。不過，這種方法適用於尺寸和電流都較小的電感器，這種電感器很容易放入塑膠模制封裝中。功率較大的POL穩壓器需要使用尺寸和電流都較大的電感器，將這樣的磁性元件放入封裝中，會使電路的其他元件被擠到旁邊，因此增大了封裝在PCB上占用的面積。較大的占板面積意味著較重的封裝。為了保持較小的占板面積，並進一步提高散熱，封裝工程師已經開發出另一種方法：垂直、疊置或3D封裝(圖1)。 

圖1 用於大功率POL穩壓器模組的3D或垂直封裝技術升高了電感器放置位置，將其作為散熱片裸露於氣流中。DC/DC電路的其餘部分安裝在電感器下面的襯底中，以使封裝佔用較小的PCB面積，並提高其熱性能。

裸露疊置電感器3D封裝三大效能 

採用3D封裝這種構造POL穩壓器的新方法，可以同時獲得PCB占板面積很小、功率更大、熱性能更高這三個優點(圖1和圖2)。現已有廠商推出相關解決方案，如凌利爾特(Linear)，推出一款微型模組(μModule)穩壓器，具內建的DC/DC穩壓器IC、MOSFET、支援性電路以及一個大電感器，可降低輸出漣波，提供高達40A的負載電流，並從12V輸入提供精準穩定的3.3V至0.6V輸出電壓。如果計算一下，功率密度是非常高的。不過，要記得不要被數字愚弄。對系統設計者而言，這款μModule穩壓器的好處是熱性能，以及令人印象深刻的DC/DC轉換效率和散熱能力。 

圖2 LTM4636用疊置電感器作為散熱片，以很小的占板面積實現了令人印象深刻的熱性能。

為了保持很小的占板面積(16mm×16mm BGA)，占板面積很大的電感器升高了放置位置，並固定在兩個銅線框之上，以便其餘電路元件(二極體、電阻器、MOSFET、電容器、DC/DC IC)能夠焊接在電感器下面的襯底上。如果電感器放置在襯底上，那麼μModule穩壓器可能很容易就占用超過1225平方毫米的PCB面積，而不是現在的256平方毫米。這種方法使系統設計者能夠設計出更精小的POL穩壓器布局，不過該方法還有一個非常大的優點，它可實現良好的熱性能。 

該方案中的疊置電感器不是與塑膠封裝一起模制(密封)的。其餘組件則是模制的。電感器有圓滑的邊角且結構體是升高的，便於裸露於空氣中，空氣更容易在其周圍和上部流動(流動阻力最小)。 

除了從頂部散熱，μModule穩壓器還可以高效率地將熱量從封裝底部傳遞到PCB。該元件有144個BGA焊錫球，這些焊錫球成排成排地連接到有大電流流過的GND、VIN和VOUT。這些焊錫球合起來充當向PCB傳遞熱量的散熱片。 

在12VIN、1VOUT、40A(40W)滿負載電流和標準200LFM氣流時，μModule穩壓器的溫度僅比環境溫度(25℃至26.5℃)高40℃。圖3顯示了該元件在上述條件時的熱像。接下來的圖4顯示了降額數值。在200LFM時，μModule穩壓器在環境溫度高達83℃時提供40A最大電流。在環境溫度高達110℃時，可以提供最大電流的一半(即20A)。這意味著，有氣流時，該元件提供負載電流的能力受環境溫度的影響較小。 

圖3 在40W時溫度僅上升40℃(12VIN至1VOUT，40A、200LFM氣流)

圖4 200LFM、83℃環境溫度時提供40A最大電流

MOSFET性能最佳以及DC/DC控制器強大的驅動器是LTM4636轉換效率很高的原因。以下是對12VIN電源進行降壓轉換的一些數字：3.3V、25A時效率為95%，1.8V、40A時效率為93%，1V、40A時效率為88%。圖5總結了從12VIN轉換到1VOUT至3.3VOUT的效率數字。 

圖5 從12VIN轉換到各種輸出電壓時，DC/DC轉換具有高效率

一個μModule穩壓器的負載電流額定值是40A。兩個採用電流均分模式(或並聯)的μModule穩壓器提供80A電流，四個μModule穩壓器則提供160A電流(圖6和圖7)。μModule穩壓器的電流模式架構允許在多個40A模組之間準確均分電流。準確的電流均分又允許在兩個、三個或四個並聯元件之間平衡散熱(圖6和圖7)。由於這種平衡散熱能力，所以沒有哪一個元件會超載或過熱。這種元件的另一個特點是能夠異相運行，以降低輸出和輸入漣波電流，漣波電流降低又有助於減少輸入和輸出電容器數量。 

圖6 精準電流均分使4並聯LTM4636能夠平衡散熱，在12VIN、1VOUT、160A、400LFM時，溫度僅上升40℃。

 

圖7 4個並聯LTM4636每個都具精準電流均分能力和高效率，12VIN至0.9VOUT，160A。

為元件密集排列的系統選擇POL穩壓器需要仔細考慮元件電壓和電流額定值以外的因素。評估封裝的熱特性是必不可少的步驟，因為該特性決定了設備的冷卻成本、PCB成本和尺寸。3D封裝方法，又稱為疊置、垂直、CoP封裝方法，允許大功率POL模組型穩壓器占用很小的PCB面積，不過更重要的是，允許高效率散熱。 

(本文作者為凌力爾特微型模組電源產品部經理)