功率更大、尺寸更小和溫度更低的負載點DC/DC調節

當發現一款功能合適的穩壓器解決方案時，必須對其進行功率損失和熱阻評估。倘若這兩項參數不能滿足系統的散熱要求(特別是當系統必須在高環境溫度條件下運作時)，就會導致一款原本不錯的穩壓器解決方案大打折扣。顯然，轉換效率必須很高，以限制功率損耗，而且封裝設計必須具備很低的內部熱阻以及很低的環境連接熱阻。隨著解決方案的縮小，穩壓器和電路板之間的熱阻面積也減小了，這就使得保持電路板低溫度更加困難了，因為電源穩壓器通常將大多數功率損耗傳導到系統電路板中，從而顯著提高了系統的內部溫度。

真正的問題：熱量和冷卻成本

系統和熱設計工程師花費大量時間對這些復雜的電子系統進行建模和評估，以設計能去除以熱量形式體現功率損耗的解決方案。一般用空氣流動和散熱器來去除這種不想要的熱量。真正的問題是，隨著系統內部溫度的升高，新式處理器、FPGA和定制ASIC通常消耗顯著增大的功率。不幸的是，這需要電源穩壓器提供更多功率，而且將增大內部功率損耗，從而進一步升高系統溫度。因此，消除功率損耗和熱量是非常重要，而且高密度電源解決方案必須限制功率損耗，并有效地消除熱量。但是，封裝極其緊湊的電源解決方案要么耗散過多的功率，要么無法有效地移除熱量，因此假如不實施大幅度的降額就不能在高溫環境中運作。需要一種適合的解決方案來幫助緩解這一實際問題。

毫不奇怪，為了使大功率設計的溫度保持在合理水平，注意冷卻方法是至關重要的。安裝風扇、冷卻板、散熱器以及有時將系統浸沒到特殊液體中都是一些設計師被迫采用的方法的實例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過，如果一個大功率負載點穩壓器能提供所需功率，同時能均勻和高效率地消散熱量，那么冷卻這部分電路的要求就會降低，從而能減少冷卻系統的尺寸、重量、維護工作和成本。

功率密度是誤導

談論高功率密度DC/DC穩壓器是誤導的，因為它不涉及器件溫度問題。當系統設計師決定選用一款可滿足系統對于DC/DC穩壓器的電氣、物理和電源要求的產品時，應當教會他們從器件的產品手冊中尋覓到更多的相關信息。下面舉一個例子：如果一個2cm x 1cm的DC/DC穩壓器向負載提供54W功率，它的功率密度額定值為27W/cm2。這一數字也許會給一些設計師留下深刻印象，并滿足他們的搜尋要求：想要的功率、想要的尺寸和想要的價格。不過，被忘記的是熱量最終會轉變成溫度上升。如欲獲取重要的相關信息，則需研究分析DC/DC穩壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結點至外殼”、“結點至空氣”和“結點至PCB”熱阻數值。

繼續看上面的例子，該器件還有另一個吸引人的屬性。它以令人印象深刻的90%的效率工作。它消耗6W功率，同時提供54W輸出，所采用的封裝具備20oC/W結點至空氣的熱阻。6W乘以20oC/W，結果為在環境溫度之上升高120oC。當在45oC的環境溫度時，這個似乎令人印象深刻的DC/DC穩壓器封裝結溫的計算結果就是165oC。165oC不是一個令人感覺很好的值，原因有兩點：(a)它高于大多數硅IC大約為120oC的最高溫度；(b)它需要特別關注，以保持結溫在一個低于120oC的較安全值。

上述的簡單計算有時會被忽視了。一個看似滿足所有電氣和功率要求的DC/DC穩壓器未能滿足系統的熱量指導原則，或者被證明由于在安全的溫度環境中工作需要采取額外措施，因此用起來太過昂貴。在首次參與評估電壓、電流和尺寸等屬性時，記著研究DC/DC穩壓器的熱性能是很重要的。

本文將介紹一種新的高密度和可擴展的LTM4620微型模塊(μModule?)穩壓器。內容將包括電氣、機械/封裝和熱性能以及不同的可擴展型電源設計。目標是展示一種新的高密度、可擴展的電源穩壓器，該穩壓器具備卓越的電氣性能、低功率損耗和獨特的耐熱增強型封裝設計，可幫助克服高功率密度挑戰。

LTM4620雙通道13A或單通道26A μModule穩壓器

圖1顯示了LTM4620 μModule穩壓器的照片。LTM4620采用SIP(系統級封裝)，是15mm x 15mm x 4.41mm LGA器件。它能在13A時提供兩個獨立輸出，或在26A時提供單個輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統，以實現卓越的熱量管理。

圖1：LTM4620封裝：15mm x 15mm x 4.41mm LGA

圖2顯示了LTM4620 μModule穩壓器的方框圖。LTM4620由兩個高性能同步降壓型穩壓器組成。輸入電壓范圍為4.5V至16V，輸出電壓范圍為0.6V至2.5V，而LTM4620A的輸出電壓范圍為0.6V至5.5V。LTM4620的電氣特性為±1.5%的總輸出準確度、經過全面測試的準確均流、快速瞬態響應、具備自定時和可編程相移的多相并聯工作、頻率同步以及準確的遠端采樣放大器。

保護功能包括反饋參考的輸出過壓保護、折返過流保護和內部溫度二極管監視。

圖2：LTM4620方框圖
INTERNAL COMP：內部比較器
POWER CONTROL：電源控制

LTM4620獨特的封裝設計

圖3顯示了一個尚未模制的LTM4620之染色側視圖和頂視圖。封裝設計由熱傳導性很高的BT襯底和足夠的銅箔層組成，以提高電流承載能力并實現至系統電路板的低熱阻。一種專有引線框架功率MOSFET棧用來提供高功率密度、低互連電阻、以及給器件的頂部和底部提供很高的熱傳導性。專有散熱器設計連接到功率MOSFET棧和功率電感器上，以提供有效的頂部散熱。可以在頂部的裸露金屬面上加上一個外部散熱器，以利用空氣流動去除熱量。由于該專有散熱器的構造和模制封裝，僅有氣流而沒有散熱器就可去除頂部的熱量。

圖3：LTM4620的染色側視圖和尚未模制的LTM4620
Top Side Heat Sinking：頂部散熱
Bottom Side Heat Sinking：底部散熱
Power MOSFET Stack：功率MOSFET棧
Power Inductors：功率電感器

圖4顯示了LTM4620的熱像以及在26A設計時12V至1V的降額曲線。當具有200LFM氣流時，溫升僅為35°C(在環境溫度以上)，而且降額曲線顯示：一直到大約80°C時最大負載電流都無需降額。圖4顯示了熱量數據，這些數據顯示了耐熱增強型高密度電源穩壓器解決方案的真正優點。獨特的封裝設計在小尺寸中盡可能減少功率損耗，并有效地去除了作為功率損耗函數的熱量。

圖4：LTM4620熱像及減額曲線
CURRENT：電流
AMBIENT TEMPERATURE：環境溫度

LTM4620的電氣性能

圖5顯示以雙輸出均流模式工作的LTM4620。這種配置提供密度非常高的1.5V/26A解決方案。RUN、TRACK、COMP、VFB、PGOOD和VOUT引腳連接在一起，以實現并聯工作。該設計顯示了一種利用一個LTC2997溫度傳感器監視器監視LTM4620內部溫度二極管的方式。溫度采樣二極管可由很多不同的器件監視，這些器件監視一個連接二極管的晶體管。

圖5：LTM4620、兩相1.5V/26A并聯輸出
5V TO 16V INTERMEDIATE BUS：5V至16V中間總線
PULL-UP RESISTOR AND ZENER ARE OPTIONAL：上拉電阻器和齊納二極管是可選的

圖6顯示兩相并聯輸出、1.5V時的效率和兩通道均流性能。就如此高密度的解決方案而言，86%的效率是相當好的，而且正如圖4的熱量數據所示，由于電路板安裝后的低?JA熱阻，溫度上升得到了良好控制。有效的頂部和底部散熱系統使LTM4620能以很少的溫度上升及滿功率工作。圖6顯示了VOUT1和VOUT2的均流性能。LTM4620的內部控制器經過了準確微調和測試，以實現輸出均流。這使LTM4620成為高密度、可擴展電源解決方案的卓越選擇。高效率和快速瞬態響應電流模式架構很好地滿足了高性能處理器、FPGA和定制ASIC所需的低壓內核電源要求。

圖6：兩相、1.5V的效率和均流圖
EFFICIENCY：效率
OUTPUT CURRENT：輸出電流
Dual LTM4620 Single Output Current Sharing：雙LTM4620單輸出均流
TOTAL CURRENT：總電流

出色的輸出電壓初始準確度