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(多图) 为什么DC/DC稳压器的效率指标会造成假象?

21ic 凌力尔特公司 Jason Sekanina等?? 2012年02月15日 ?? 收藏0
很多人认为,DC/DC开关稳压器的电压转换效率是最后一项需要测量的性能。效率数字就是所测得的值,列在数据表中,当系统设计师试图从几家厂商中选出一个解决方案时,会针对一系列电压和电流画出效率曲线,并进行比较。为了实现高效率(这个词具有相对含义,不过我们假定一下,所谓高效率,即效率数字高于85%),模拟芯片设计师和模拟应用工程师会非常仔细地尝试书中列出的每一种巧妙的方法,例如调节电源开关的开关频率、改变其栅极驱动的大小等。令人意外的是,仅靠芯片或IC并不能保证一个电路实现最高效率。外部组件的选择确实对一个IC有极大的影响,可能令一个十分出色的IC表现平平。在设计一个高效率DC/DC开关负载点稳压器时,电感器、电容器和PCB布局的选择以及系统设计师的技能都是至关重要的因素。不过,有了“高效率”数字,热量管理的事情依然没有结束。

单单根据其转换效率来判定负载点DC/DC稳压器的热性能就类似于依照发动机尺寸来推测汽车的速度。用12汽缸的兰博基尼发动机驱动一辆自卸货车或许会让人对其速度产生虚夸的想象,然而空气动力定律则彻底剥夺了这样一部货车参加一级方程式赛车比赛的可能性。类似地,一个效率为90%、热量为3.5W的DC/DC降压型稳压器,如果采用一个非常吸引和具22oC/Wj-a热阻的纤巧封装,那么造成的热量管理挑战会使这个DC/DC稳压器几乎变得不现实,而且常常使其过于昂贵而无法使用:在环境温度为40oC时,3.5WX22oC/W产生约为117oC的节温。当然,有几种去除封装中热量的方法,例如采用风扇、增大PCB铜箔面积、增加散热器等。总之,这些补救方法增加了设计的复杂性、提高了成本且需要更大的空间以散出热量。

渴望获得功率并对其加以控制

控制热耗散并提高功率分配效率的战斗一直在不断加剧。数字设备和基础设施的最佳控制和可靠性在很大程度上取决于被用作FPGA、ASIC、收发器和存储模块以及RF放大器和传感器之分布式DC电源的DC/DC转换器的性能。除了诸如稳压准确度或瞬态响应等电性能之外,热性能在选择DC/DC稳压器的过程中已经成为一项越来越关键的因素。

可扩展和模块化的DC/DC稳压器解决方案

这个72W的解决方案(参见图1)依靠4个微型模块(μModule?)稳压器的准确均流和低热阻值,在一个紧凑的表面积上均匀地散出热量以防止热点。每个DC/DC微型模块稳压器都是一个完整的电源,具电感器、MOSFET和DC/DC控制器电路,装在一个外形尺寸类似IC的封装中。每个稳压器都能从4.5V至20V的宽输入范围提供12A(或如果并联会更大),从而成为通用和可扩展的解决方案。并联系统设计涉及的不仅是每个电路布局的复制和粘帖。该微型模块稳压器仅占用15mmx15mm的电路板面积,高度仅为2.8mm。除了良好的效率性能,该封装还具有仅为15oC/Wj-a的热阻。这么扁平的封装允许空气在整个电路上方顺畅地流动,从而去除了电路产生的热量(参见图2至图5)。这个解决方案对其周围的组件几乎没有热遮蔽,从而有助于进一步优化整个系统的热性能。

4个DC/DC微型模块稳压器系统均流
图1:4个DC/DC微型模块稳压器系统均流,以在48A时提供稳定的1.5V电压,每个微型模块稳压器的高度仅为2.8mm,占用15mmx15mm电路板面积。每个微型模块仅重1.7g,并采用类似IC的外形尺寸,在电路板组装时,可非常容易地用任何抓放型机器来取放。

突破效率范畴来考虑问题

图2至图5是图1所示电路板的热像,提供了特定位置的温度读数以及空气流动的方向和速度。光标1至4显示对每个模块表面温度的估计。光标5至7指示PCB的表面温度。请注意,靠里面的两个稳压器(光标1和2)和靠外面的两个稳压器(光标3和4)之间的温度差。放置在外侧的微型模块稳压器左面和右面有较大的平面,有助于散热,从而使外侧的微型模块稳压器的温度低几度。里侧的两个微型模块稳压器仅有较小的顶部和底部平面散发热量,因此比外侧的两个温度稍高一些。

气流对系统的热平衡有很大影响。请注意图2和图3之间的温差。在图3中,200LFM的气流均匀地从演示版的底部流向顶部,与图2中无空气流动的情况相比,图3中电路板一边比另一边的温度下降了20°C。气流方向也很重要。在图4中,气流从右向左流动,将热量从一个微型模块稳压器推送到下一个,引起堆叠效应。右边的微型模块稳压器最靠近气流来源,是温度最低的。由于从其他LTM4601微型模块稳压器漫出的热量,最左边的微型模块稳压器温度略高。图5显示了热量从一个微型模块器件堆叠到另一个的极端情况。4个微型模块稳压器中的每一个都配备了一个BGA散热器,整个电路板在一个容器内工作,环境温度为75°C。

在各DC/DCμModule之间实现了平衡的功率均分以及低的温升
图2:如图1中48A、1.5V电路的热像,在各DC/DCμModule之间实现了平衡的功率均分以及低的温升,即使没有气流也不例外(VIN=20V至1.5VOUT/40A)。

具200LFM从底部至顶部气流的4个并联LTM4601的热像
图3:具200LFM从底部至顶部气流的4个并联LTM4601的热像(20VIN至1.5VOUT/40A)。

在环境温度为50oC并具有400LFM从右至左气流的容器中,4个并联LTM4601的热像
图4:在环境温度为50oC并具有400LFM从右至左气流的容器中,4个并联LTM4601的热像(12VIN/至1.0VOUT/40A)

在环境温度为75oC并具有400LFM从右至左气流的容器中,当采用BGA散热器时,4个并联LTM4601的热像
图5:在环境温度为75oC并具有400LFM从右至左气流的容器中,当采用BGA散热器时,4个并联LTM4601的热像(12VIN至1.0VOUT/40A)


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稳压器? LTM4611? TechClip?

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