经过 3D 封装架构和聪明的组件放置办法处理了热量问题
下面即将陈说的一些现实一定会让 DC/DC IC 及电路规划师不快，不过，真实情况是，这些问题今日比几年前愈加明显。虽然这些规划师脑力强壮，知晓规划艺术和规划学，具有丰厚经历，可以娴熟耍弄波德图 (Bode plot)、麦克斯韦方程 (Maxwell’s equations) 和零极点，可以规划出精美的 DC/DC 转化器电路，可是 IC 规划师常常抵挡终究一个可怕的物理难题：热量。这本来是封装工程师的事儿。现在，封装工程师对 DC/DC POL (负载点) 稳压器热功用的影响要比以往大得多，尤其是那些大功率、小封装稳压器。
POL 稳压器之所以发生热量，是由于没有电压转化功率可以到达 100%。这样一来就发生了一个问题，由封装结构、布局和热阻导致的热量会有多大? 封装的热阻不只前进 POL 稳压器的温度，还前进 PCB 及周围组件的温度，并使得体系散热规划愈加杂乱。
组件安装到 PCB 上今后，消除封装发生的热量主要有两种办法：
1) 选用外表贴装办法时，将热量传导到铜质 PCB 层，从封装底部散热。
2) 用冷气流从封装顶部散热，或许更准确地说，热量被传递到与封装顶部外表触摸、温度更低、快速运动的空气分子中。
当然，还有一些无源和有源散热办法，为评论简洁起见，咱们将这些办法通通归入上述第二个类别。因而，从热量办理的视点来看，要坚持包含 DC/DC POL 稳压器在内的整个体系在安全的温度规模内运转，更多铜质 PCB 层、更大的 PCB 面积、更厚的 PCB 层、在 PCB 上涣散摆放组件、更大和转速更快的电扇等都是好主意。好主意是好主意，不过对小型、大功率 POL 稳压器进行热量办理时，是否还有其他有助的办法?
虽然上述某些或一切办法对约束体系热量都很有用，可是选用这些散热办法或许会使体系或终究产品失掉竞赛优势。终究产品 (例如路由器) 或许由于故意在 PCB 上扩展组件之间的间隔而变得太大，由于电扇数量添加和气流快速进出发热的电路而导致可听的噪声增大，这些要素终究或许会使终究产品成为市场上的劣等品，由于为了在竞赛中胜出，各公司都不断在紧凑性、核算才能、数据传输速率、功率、冷却本钱等方面做出改进。28nm、20nm 和低于 20nm 的数字器材供给更高功用，但功耗更大，而设备供货商则在凭仗更快、更小、噪声更低、功率更高的立异彼此比拼。新式数字技能才能出众、令人振奋，但背面依然存在模仿和电源技能角力，以在封装更小的情况下供给更大功率，一同最大极限减小对体系整体温度的影响。具有较高功率密度的 POL 稳压器似乎是一个不错的挑选：这种稳压器尺度较小，但功率较大。
经过功率密度数值判别 POL 稳压器是否合适是 …… 对新手而言
每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 稳压器应该好于每平方厘米 30W 的稳压器。出售商运用功率密度优势出售产品，体系规划师对稳压器功率密度的要求逐年前进，以凭仗下一版更快、更小、噪声更低、功率更高的产品与对手竞赛。在挑选“更好的”POL 稳压器时，更高的功率密度数值是决议性要素吗? 咱们从如下几个方面来考虑这个问题。
首要，把功率密度数值放在一边，研讨一下 POL 稳压器的数据表。找到热量降额曲线。描绘翔实的 POL 稳压器数据表应该有许多这类曲线，别离规则了不同输入电压、输出电压和气流速度时的输出电流、输出电压和气流速度。换句话说，这样的数据表应该显现在详细电路条件下 POL 稳压器的输出电流才能，这样规划师才可以依据稳压器的热量和负载电流才能判别其是否适用。稳压器是否满意体系的典型和最高环境温度及气流速度要求? 请记住，输出电流降额与器材的热功用有关。这两个要素密切相关，平等重要。
其次是功率，功率问题不在第一位，而是在第二位。单提功率会发生误导，仅用功率来表述一个 DC/DC 稳压器的热特性是不准确的。还需求核算输入电流和负载电流、输入功耗、功耗、结温 … 等等。不过，为了更好地阐明问题，应该在考虑输出电流降额以及其他与器材及其封装有关之热量数据的一同，研讨功率数值。例如，一个功率为 98% 的 DC/DC 降压型转化器会给人留下极点深入的形象。愈加令人赞赏的是，这款转化器还宣称具有超卓的功率密度数值。你会不会买这个器材?
一位老道的工程师应该问问 2% 的功率丢失有什么影响。这种功率丢失是怎样转化成封装温度上升的? 这种高功率密度和高功率稳压器在 60°C 环境温度和 200LFM 气流时结温是多少? 要打破 25°C 室温时的典型数值来思考问题。在 -40°C、85°C 或 125°C 的极点温度时测得的最大值和最小值是多少? 假如封装热阻过高、结温上升到安全作业温度规模以外时怎么办? 假如这款贵重的稳压器有必要降额到很低的输出电流值，那么会不会因输出功率才能削弱而使该器材的高价格不再合理?
终究一个需求考虑的要素是这款 POL 稳压器是否易于冷却。数据表中供给的封装热阻值是仿真和核算该器材的结温、环境温度以及外壳温度上升的要害数据。由于外表贴装封装的大部分热量都是从封装底部分散到 PCB，所以数据表中有必要清晰阐明布局辅导准则和各种热量丈量条件及办法，避免在后续构成体系原型时呈现意外。
规划杰出的封装应该可以高功率地经过一切封装外表均匀散热，以消除热量会集问题和热门，这些问题会下降 POL 稳压器的可靠性，应该消除或减轻。如之前所述，PCB 担任吸收外表贴装 POL 稳压器的热量并供给散热途径，不过，在现在密布、杂乱的体系中，气流是很常见，因而一种规划思路愈加聪明的 POL 稳压器运用了这种“免费”冷却时机，用来去除 MOSFET 、电感器等发热组件发生的热量。
将热量从封装内部引导到封装顶部并分散到空气中
大功率开关 POL 稳压器靠电感器或变压器将输入电源电压转化成安稳的输出电压。非阻隔式降压型 POL 稳压器运用一个电感器，该电感器以及 MOSFET 等随同的开关组件在 DC/DC 转化时发生热量。大约 10 年前，由于封装技能的前进，包含磁性组件在内的整个 DC/DC 稳压器电路可以装入一个模制塑料封装中，称为模块或 SiP，模制塑料封装内部发生的大部分热量有必要从封装底部引导到 PCB。前进封装散热才能的任何传统办法都会导致封装变大，例如在外表贴装封装顶部附着一个散热器。
不过，3 年前呈现了一种立异性模块封装办法，该办法运用可用气流完成器材冷却。散热器集成到模块封装内部，是彻底模制的。该散热器形状共同，一端在封装内连接到发热源 MOSFET 和电感器，另一端是一个平整的外表，露出于封装顶部。凭仗这种新式封装和内置散热器技能，器材可以在某些气流的效果下快速冷却，由于在封装顶部，平整的散热器外表与空气触摸，空气可以从封装顶部带走热量 (拜见 TechClip 视频中的 LTM4620 数据表)。另一种前进大功率 POL 稳压器热功用的封装理念又将这种办法向前推进了一步。
以叠置电感器作为散热器的 POL 模块型稳压器
POL 稳压器中电感器的巨细取决于许多要素，其间包含电压、开关频率、需处理的电流及其结构。采纳模块化办法时，包含电感器的 DC/DC 电路是彻底模制的，密封在一种塑料封装中，看起来就像一个 IC 相同，电感器的巨细决议封装的厚度、体积和分量。电感器仍是个发热组件，前进了 POL 模块型稳压器的内部整体温度。之前评论的办法，即在封装中集成散热器以将 MOSFET 和电感器的热量传导到封装顶部，这是十分有用的，可以将封装内部的热量从封装顶部快速传递到封装外部，并终究传递到空气中，这种散热器是一种冷却板或称无源散热器。不过，这种办法适用于尺度和电流都较小的电感器，这种电感器很简单放入塑料模制封装中。功率较大的 POL 稳压器需求运用尺度和电流都较大的电感器，将这样的磁性组件放入封装中，会使电路的其他组件被挤到周围，因而增大了封装在 PCB 上占用的面积。较大的占板面积意味着较重的封装。为了坚持较小的占板面积，并进一步改进散热，封装工程师现已开宣布另一种办法：笔直、叠置或 3D 封装 (图 1)。
图 1：用于大功率 POL 稳压器模块的 3D 或笔直封装技能升高了电感器放置方位，将其作为散热器暴露于气流中。DC/DC 电路的其他部分安装在电感器下面的衬底中，以使封装占用较小的 PCB 面积，并前进其热功用。
具暴露叠置电感器的 3D 封装：占板面积很小、功率前进、散热功用改进
选用 3D 封装这种结构 POL 稳压器的新办法，可以一同取得 PCB占板面积很小、功率更大、热功用更高这 3 个长处 (图 1 和图 2)。LTM4636 是一款µModule (微型模块) 稳压器，具内置 DC/DC 稳压器 IC、MOSFET、支撑性电路以及一个大的电感器，可下降输出纹波，供给高达 40A 的负载电流，并从 12V 输入供给准确安稳的 3.3V 至 0.6V 输出电压。4 个 LTM4636 器材可以均分电流，以供给 160A 负载电流。该器材的占板面积为仅为 16mm x 16mm。假如核算一下，功率密度是十分高的。不过，要记住不要被数字捉弄。对体系规划师而言，这款 µModule 稳压器的优点是热功用，以及令人形象深入的 DC/DC 转化功率和散热才能。
图 2：LTM4636 用叠置电感器作为散热器，以很小的占板面积完成了令人形象深入的热功用
为了坚持很小的占板面积 (16mm x 16mm BGA)，占板面积很大的电感器升高了放置方位，并固定在两个铜线框之上，以便其他电路组件 (二极管、电阻器、MOSFET、电容器、DC/DC IC) 可以焊接在电感器下面的衬底上。假如电感器放置在衬底上，那么 µModule 稳压器或许很简单就占用超越 1225 平方毫米的 PCB 面积，而不是现在的 256 平方毫米。这种办法使体系规划师可以规划出愈加紧凑的 POL 稳压器布局，不过该办法还有一个十分大的优点，它可完成杰出的热功用。
LTM4636 中的叠置电感器不是与塑料封装一同模制 (密封) 的。其他组件则是模制的。电感器有油滑的边角且结构体是升高的，便于暴露于空气中，空气更简单在其周围和上部活动 (活动阻力最小)。
数值中反映出的现实：40A LTM4636 的热功用和功率
LTM4636 是一款 40A µModule 稳压器，选用 3D 封装技能，也称为 Component-on-Package (CoP，图 2)。该器材选用彻底模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封装。加上叠置在模制封装顶部的电感器，LTM4636 的整体封装高度即从 BGA 焊锡球(144 个) 底部到电感器顶部的高度为 7.16mm。
除了从顶部散热，LTM4636 还可以高功率地将热量从封装底部传递到 PCB。该器材有 144 个 BGA 焊锡球，这些焊锡球成排成排地连接到有大电流流过的 GND、VIN 和 VOUT。这些焊锡球合起来充任向 PCB 传递热量的散热器。LTM4636 为从封装顶部和底部散热而进行了优化。
在 12VIN、1VOUT、40A (40W) 满负载电流和规范 200LFM 气流时，LTM4636 的温度仅比环境温度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。图 3 显现了 LTM4636 在上述条件时的热像。接下来的图 4 显现了降额数值。在 200LFM 时，LTM4636 在环境温度高达 83°C时供给 40A 最大电流。在环境温度高达 110°C 时，可以供给最大电流的一半 (即 20A)。这意味着，有气流时，LTM4636 供给负载电流的才能受环境温度的影响较小。
图 3：在 40W 时温度仅上升 40°C (12VIN 至 1VOUT，40A, 200LFM 气流)
图 4：200LFM、83°C 环境温度时供给 40A 最大电流
MOSFET 功用最佳以及 DC/DC 操控器强壮的驱动器是 LTM4636 转化功率很高的原因。以下是对 12Vin 电源进行降压转化的一些数字：3.3V、25A 时功率为 95%，1.8V、40A 时功率为 93%，1V、40A 时功率为 88%。图 5 总结了从 12Vin 转化到 1Vout 至 3.3Vout 的功率数字。
图 5：从 12VIN 转化到各种输出电压时，DC/DC 转化具有高功率
具热平衡才能的 160W、可扩展 4 x 40A µModule POL 稳压器
一个 LTM4636 的负载电流额定值是 40A。两个选用电流均分形式 (或并联) 的 LTM4636 供给 80A 电流，4 个 LTM4636 则供给 160A 电流 (图 6 和图 7)。LTM4636 的电流形式架构答应在多个 40A 模块之间准确均分电流。准确的电流均分又答应在两个、3 个或 4 个并联器材之间平衡散热 (图 6 和图 7)。由于这种平衡散热才能，所以没有哪一个器材会过载或过热。这种器材的另一个特点是可以异相运转，以下降输出和输入纹波电流，纹波电流下降又有助于削减输入和输出电容器数量。例如，4 个 LTM4636 以 90° 相差运转 (360° ÷ 4)。该器材还供给时钟和相位操控功用。此外，增大功率时所需布局作业很简单，只需仿制和张贴占板面积即可 (符号和占板面积可用)。
图 6：准确电流均分使 4 个并联 LTM4636 可以平衡散热，在 12VIN、1VOUT、160A、400LFM 时，温度仅上升 40°C
图 7：4 个并联 LTM4636 每个都具准确电流均分才能和高功率，12VIN 至 0.9VOUT，160A
定论
为组件密布摆放的体系挑选 POL 稳压器需求细心考虑器材电压和电流额定值以外的要素。评价封装的热特性是必不可少的过程，由于该特性决议了设备的冷却本钱、PCB 本钱和尺度。3D 封装办法，又称为叠置、笔直、CoP 封装办法，答应大功率 POL 模块型稳压器占用很小的 PCB 面积，不过更重要的是，答应高功率散热。LTM4636 系列是第一个获益于这种叠置封装技能的 µModule 稳压器系列。LTM4636 是一款以叠置电感器作为散热器的 40A POL µModule 稳压器，功率为 95% 至 88%，作业时温度仅上升 40°C，且仅占用 16mm x 16mm PCB 面积。
