實際功率密度：26A μModule穩(wěn)壓器可在狹小空間內(nèi)保持冷卻

每一代高端處理器、FPGA 和 ASIC 都需要更高的功率，但即使預(yù)計電源將承載更重的負(fù)載，它們獲得的電路板空間也更少?，F(xiàn)在，POL（負(fù)載點）電源通常以數(shù)十安培到超過一百安培的低輸出電壓≤產(chǎn)生數(shù)十安培至超過一百安培的電壓軌，并且空間比前一代產(chǎn)品更小。

必須支持高負(fù)載電流并適合狹小空間的電源通常主要根據(jù)其功率密度或瓦特/厘米來判斷2.事實上，許多最新的封裝電源和分立式解決方案都宣稱其高功率密度令人印象深刻——電源制造商似乎能夠從更小的封裝中榨取越來越多的功率。不幸的是，功率密度的驚人增長背后潛伏著一個大問題。這個問題是熱量。（參見下文“功率密度的實際成本”）

在高電流和低電壓下，散熱是一個重大問題。在許多系統(tǒng)中，提高功率密度實際上使問題更加復(fù)雜，因為在更小的空間內(nèi)增加功率也會增加功率損耗的密度 - 在更小的空間內(nèi)增加更多的熱量。僅僅將高功率電源擠壓到電路板上是不夠的，還必須仔細(xì)評估解決方案的功率損耗和熱阻，這兩個參數(shù)可以決定穩(wěn)壓器的成敗。高功率密度的說法可能令人印象深刻，但如果電源產(chǎn)生的熱量沒有得到有效管理，這些聲明的承諾是空洞的。

LTM4620 通過將一個完整的雙輸出穩(wěn)壓器壓縮到一個 15mm × 15mm × 4.41mm LGA 封裝中解決了真正的功率密度問題，該封裝經(jīng)過獨特設(shè)計，可最大限度地降低熱阻，從而簡化熱管理。該封裝包括一個內(nèi)部散熱器和其他尖端功能，可產(chǎn)生有效的頂部和底部散熱器，使其即使在高溫環(huán)境中也能以最大負(fù)載電流運行。

LTM4620采用 15mm × 15mm × 4.41mm LGA 封裝。單個器件可以提供兩個獨立的輸出（13A）（圖 4）或單個輸出（26A）（圖 5）。多個 LTM4620 可以組合以產(chǎn)生 50A 至超過 100A 的電流 （圖 7）。

圖1.LTM4620 LGA 封裝包括頂部和底部的熱觸點，這些觸點連接到一個獨特的內(nèi)部散熱器，從而通過最大限度地減小內(nèi)部熱阻來保持內(nèi)部組件冷卻。

功率密度的實際成本

注意熱量

不必要的熱量是高性能電子系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代處理器、FPGA 和定制 ASIC 會隨著溫度的升高而消耗越來越多的功率。為了補償這些功率損耗，電源必須增加其功率輸出。這反過來又會增加電源的功耗，為已經(jīng)很熱的系統(tǒng)提供額外的熱量，依此類推。除非熱量排空得足夠快，否則整個系統(tǒng)的溫度可能會升高到必須降額以補償大多數(shù)組件的程度。

系統(tǒng)和熱工程師花費大量時間和精力對復(fù)雜的電子系統(tǒng)進(jìn)行建模和評估，以消除系統(tǒng)中不需要的熱量。風(fēng)扇、冷板、散熱器甚至冷卻浴浸沒都是工程師為克服熱量而實施的策略。冷卻尺寸、重量、維護(hù)和成本成為工程和制造預(yù)算的重要組成部分。

隨著系統(tǒng)增加功能和性能，熱量只會上升。大多數(shù)處理器和電源的運行效率都盡可能高，冷卻系統(tǒng)是昂貴的緩解措施。因此，必須通過改善組件級別的功耗來簡化和節(jié)省成本。問題在于，大多數(shù)緊湊型封裝電源解決方案要么耗散過多的功率，要么熱阻過高，無法有效地去除足夠的熱量，使其在高溫下運行而不會顯著降額。

功率密度數(shù)字并不像看起來那么令人印象深刻

術(shù)語高功率密度DC/DC穩(wěn)壓器具有誤導(dǎo)性，因為它沒有解決器件相對于溫度的行為。系統(tǒng)設(shè)計人員通常希望滿足瓦特/厘米的要求2要求，電源制造商很樂意滿足令人印象深刻的功率密度數(shù)字。即便如此，任何器件的數(shù)據(jù)手冊中都隱藏著與溫度相關(guān)的值，這些值可能比引用的功率密度更重要。

例如，考慮一個 2cm × 1cm DC/DC 穩(wěn)壓器，可為負(fù)載提供 54W 的功率。這計算得出了令人印象深刻的 27W/cm 的額定功率密度2.這個數(shù)字應(yīng)該滿足一些設(shè)計師的功率和尺寸要求。然而，經(jīng)常被遺忘的是功耗，功耗會導(dǎo)致電路板溫度上升。數(shù)據(jù)手冊中列出了DC/DC穩(wěn)壓器的熱阻等關(guān)鍵信息，包括封裝的結(jié)對殼、結(jié)對空氣和結(jié)對PCB熱阻的值。

為了繼續(xù)這個例子，該穩(wěn)壓器還有另一個吸引人的屬性：它以令人印象深刻的90%的效率運行。即使在如此高效率下，它也能耗散 6W，同時在具有 54oC/W 結(jié)空熱阻的封裝中為輸出提供 20W 的功率。將 6W 乘以 20oC/W，結(jié)果是比環(huán)境溫度升高 120oC。在 45oC 環(huán)境溫度下，該 DC/DC 穩(wěn)壓器封裝的結(jié)溫升至 165oC。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)硅IC規(guī)定的典型最高溫度，大約為120oC.以最大額定值使用此電源需要大量冷卻，以將結(jié)溫保持在120oC以下。

即使DC/DC穩(wěn)壓器滿足了系統(tǒng)的所有電氣和功率要求，如果它不能滿足基本的熱準(zhǔn)則，或者在考慮散熱措施時證明成本太高，那么所有令人印象深刻的電氣規(guī)格都是沒有意義的。評估 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱性能與判斷伏特、安培和厘米一樣重要。

獨特的封裝設(shè)計實現(xiàn)了真正的高功率密度

LTM4620 專為在高功率密度下產(chǎn)生雙路或單路輸出而設(shè)計，并具有易于管理的熱特性。與其他高功率密度解決方案不同，它是真正獨立的，不需要笨重的散熱器或液體冷卻即可在最大負(fù)載電流下運行。

圖 2 顯示了未模制 LTM4620 的側(cè)視圖渲染圖和俯視圖照片。該封裝由一個高導(dǎo)熱BT基板組成，該基板具有足夠的銅層，可提供載流能力和對系統(tǒng)板的低熱阻。內(nèi)部功率 MOSFET 堆疊在專有的引線框架中，以在器件的頂部和底部產(chǎn)生高功率密度、低互連電阻和高導(dǎo)熱性。所有部件都配有專有的內(nèi)部散熱器，該散熱器直接連接到功率 MOSFET 堆棧和功率電感器，以實現(xiàn)有效的頂部散熱。

圖2.LTM4620側(cè)視圖渲染圖和未模制LTM4620的照片顯示了頂部散熱器。

散熱器和模具封裝的結(jié)構(gòu)使器件保持低溫運行，即使熱管理只是強制氣流穿過封裝頂部。對于更強大的解決方案，可以將外部散熱器連接到頂部裸露的金屬上，以實現(xiàn)更好的熱管理。

圖 3 示出了 LTM4620 的熱圖像和 12V 至 1V /26A 設(shè)計的降額曲線。溫升僅比環(huán)境溫度高35°C，沒有散熱器和200LFM的氣流。降額曲線顯示，在~80°C下可獲得最大負(fù)載，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱圖像顯示的全運行部件的65°C。

圖3.LTM4620熱圖像和降額曲線。

這一結(jié)果揭示了熱增強型高密度功率穩(wěn)壓器解決方案的真正優(yōu)點。獨特的封裝設(shè)計使該器件不僅可以在狹小的光點產(chǎn)生高功率，而且不會顯著增加發(fā)熱問題或需要降額。很少有其他高功率密度解決方案可以在不添加昂貴的散熱組件和策略的情況下實現(xiàn)這一要求。

雙通道 13A 穩(wěn)壓器

圖 4 示出了采用雙輸出設(shè)計的 LTM4620 μModule 穩(wěn)壓器的簡化框圖。其兩個內(nèi)部高性能同步降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生 1.2V 和 1.5V 電源軌，每個電源軌均具有 13A 負(fù)載電流能力。輸入電壓范圍為 4.5V 至 16V。

圖4.LTM4620 在雙輸出 1.5V/13A 和 1.2V/13A 應(yīng)用中的框圖。

LTM4620 的輸出電壓范圍為 0.6V 至 2.5V，對于 LTM0A 而言，其輸出電壓范圍為 6.5V 至 5.4620V?？傒敵鼍葹?±1.5%，具有 100% 經(jīng)過工廠測試的精確均流、快速瞬態(tài)響應(yīng)、帶自時鐘和可編程相移的多相并聯(lián)操作、頻率同步以及精確的遠(yuǎn)端采樣放大器。保護(hù)功能包括輸出過壓保護(hù)反饋參考、折返過流保護(hù)和內(nèi)部溫度二極管監(jiān)控。

1.5V/26A，15mm2輕松進(jìn)行熱管理

圖 5 示出了一款 1.5V/26A 解決方案，該解決方案在一個并行的兩相設(shè)計中結(jié)合了 LTM4620 的兩個輸出通道。跑步、賽道、合成、VFB、PGOOD 和 V外引腳連接在一起，實現(xiàn)并聯(lián)操作。該設(shè)計還具有一個 LTC2997 溫度傳感器，用于監(jiān)視 LTM4620 的內(nèi)部溫度二極管。

圖5.LTM4620 的兩個輸出可連接在一起，以產(chǎn)生一種 2 相、2 并聯(lián)通道設(shè)計，該設(shè)計可在 1A 電流下產(chǎn)生 5.26V。內(nèi)部二極管溫度監(jiān)視通過 LTC2997 提供。

圖6顯示了兩相并聯(lián)輸出的1.5V效率和兩個通道的均流。對于這種高密度、高降壓比解決方案，2%的效率非常好，熱結(jié)果與圖86所示的1V解決方案一樣好或更好。由于θ低，溫升得到很好的控制賈板安裝后的熱阻。有效的頂部和底部散熱使 LTM4620 能夠在全功率下以低溫升運行。

圖6.2相、單輸出26A設(shè)計的效率和均流如圖5所示。

圖6顯示了V的均衡均流輸出1和 V輸出2.LTM4620 的內(nèi)部控制器經(jīng)過精確的修整和輸出均流測試。

LTM4620 的電流模式架構(gòu)可提供高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng) — 這是高性能處理器、FPGA 和定制 ASIC 的低壓內(nèi)核電源的最高要求。出色的初始輸出電壓精度和差分遙感可在負(fù)載點實現(xiàn)精確的直流電壓調(diào)節(jié)。

LTM4620 獨特的熱能力和其嚴(yán)格的均流能力使得能夠輕松地將輸出擴(kuò)展到 100A 以上 （參見圖 7）。無需外部時鐘源即可設(shè)置多相操作——CLKIN 和 CLKOUT 引腳為并行通道產(chǎn)生內(nèi)部可編程相移。LTM4620 支持外部頻率同步或內(nèi)部內(nèi)置時鐘。

圖7.8 個 μModule 穩(wěn)壓器組合在 100 相并聯(lián)設(shè)計中，支持 <>A。

實際功率密度：100mm以下50A2帶風(fēng)冷

圖7顯示了并聯(lián)組合的四個μModule穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生一個8相、100A設(shè)計。圖8顯示了所有四個穩(wěn)壓器的平衡均流。如圖7所示，整個100A解決方案僅占用約1.95平方英寸的電路板空間。即使在如此高的電流下，也可以在所有四個模塊的頂部施加簡單的散熱器和氣流，以消除足夠的功率損耗，無需降額。從頂部釋放熱量還有助于保持系統(tǒng)主板冷卻，以最大程度地減少對其他組件的加熱影響。

圖8.四個 LTM4620 的均流組合在一個圖 100 所示的 7A 設(shè)計中。

結(jié)論

LTM4620 μModule 穩(wěn)壓器是一款真正的高密度電源解決方案。它在高功率密度穩(wěn)壓器領(lǐng)域脫穎而出，因為它管理熱量，這是許多宣稱的高密度解決方案的致命缺陷。它具有兩個高性能穩(wěn)壓器，封裝在卓越的散熱封裝內(nèi)，這使得適合狹小空間的高功率設(shè)計成為可能，只需最少的外部冷卻。內(nèi)置多相時鐘和經(jīng)過工廠測試的精確均流功能可輕松將輸出電流調(diào)整至 25A、50A 和 100A+。LTM4620 獨特的熱特性允許在較高的環(huán)境溫度下實現(xiàn)全功率操作。

審核編輯：郭婷