每一代高端處理器、FPGA和ASIC都因更重的負載而增加了電源的負擔，但是系統設計師很少為了符合這種功率增大的情況而額外分配寶貴的系統電路板空間。由于廣泛需要更多專(zhuān)用和安裝在電路板上的電源，以向多個(gè)電壓軌提供POL (負載點(diǎn)) 調節，所以這種對電源的擠壓就更嚴重了。個(gè)別電源軌必須越來(lái)越多地在低電壓(≤1V)下支持數10A至超過(guò)100A的電流，因而要求大約1%的初始準確度和出色的負載瞬態(tài)偏差(低于幾%)。因此挑戰是找到準確和能在低電壓提供大的負載電流同時(shí)占用很少系統電路板空間的電源解決方案。

當發(fā)現一款功能合適的穩壓器解決方案時(shí)，必須對其進(jìn)行功率損失和熱阻評估。倘若這兩項參數不能滿(mǎn)足系統的散熱要求(特別是當系統必須在高環(huán)境溫度條件下運作時(shí))，就會(huì )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(huán)境連接熱阻。隨著(zhù)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(zhù)提高了系統的內部溫度。

真正的問(wèn)題：熱量和冷卻成本

系統和熱設計工程師花費大量時(shí)間對這些復雜的電子系統進(jìn)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(dòng)和散熱器來(lái)去除這種不想要的熱量。真正的問(wèn)題是，隨著(zhù)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(zhù)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(jìn)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(guò)多的功率，要么無(wú)法有效地移除熱量，因此假如不實(shí)施大幅度的降額就不能在高溫環(huán)境中運作。需要一種適合的解決方案來(lái)幫助緩解這一實(shí)際問(wèn)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(guān)重要的。安裝風(fēng)扇、冷卻板、散熱器以及有時(shí)將系統浸沒(méi)到特殊液體中都是一些設計師被迫采用的方法的實(shí)例。所有這些方法都是昂貴但必要的。不過(guò)，如果一個(gè)大功率負載點(diǎn)穩壓器能提供所需功率，同時(shí)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(huì )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?wù)摳吖β拭芏菵C/DC穩壓器是誤導的，因為它不涉及器件溫度問(wèn)題。當系統設計師決定選用一款可滿(mǎn)足系統對于DC/DC穩壓器的電氣、物理和電源要求的產(chǎn)品時(shí)，應當教會(huì )他們從器件的產(chǎn)品手冊中尋覓到更多的相關(guān)信息。下面舉一個(gè)例子：如果一個(gè)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(huì )給一些設計師留下深刻印象，并滿(mǎn)足他們的搜尋要求：想要的功率、想要的尺寸和想要的價(jià)格。不過(guò)，被忘記的是熱量最終會(huì )轉變成溫度上升。如欲獲取重要的相關(guān)信息，則需研究分析DC/DC穩壓器的熱阻抗，尋找封裝的“結點(diǎn)至外殼”、“結點(diǎn)至空氣”和“結點(diǎn)至PCB”熱阻數值。

繼續看上面的例子，該器件還有另一個(gè)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(shí)提供 54W 輸出，所采用的封裝具備 20ºC/W 結點(diǎn)至空氣的熱阻。6W乘以20ºC/W，結果為在環(huán)境溫度之上升高120ºC。當在45ºC的環(huán)境溫度時(shí)，這個(gè)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(gè)令人感覺(jué)很好的值，原因有兩點(diǎn)：(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(guān)注，以保持結溫在一個(gè)低于120ºC的較安全值。

上述的簡(jiǎn)單計算有時(shí)會(huì )被忽視了。一個(gè)看似滿(mǎn)足所有電氣和功率要求的DC/DC穩壓器未能滿(mǎn)足系統的熱量指導原則，或者被證明由于在安全的溫度環(huán)境中工作需要采取額外措施，因此用起來(lái)太過(guò)昂貴。在首次參與評估電壓、電流和尺寸等屬性時(shí)，記著(zhù)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。
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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(shí)提供兩個(gè)獨立輸出，或在26A時(shí)提供單個(gè)輸出。該封裝支持在頂部和底部安裝散熱系統，以實(shí)現卓越的熱量管理。


圖2 顯示了LTM4620 µModule穩壓器的方框圖。LTM4620由兩個(gè)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(jīng)過(guò)全面測試的準確均流、快速瞬態(tài)響應、具備自定時(shí)和可編程相移的多相并聯(lián)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(guò)壓保護、折返過(guò)流保護和內部溫度二極管監視。

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LTM4620 獨特的封裝設計

圖3 顯示了一個(gè)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(shí)現至系統電路板的低熱阻。一種專(zhuān)有引線(xiàn)框架功率MOSFET棧用來(lái)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(zhuān)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?？梢栽陧敳康穆懵督饘倜嫔霞由弦粋€(gè)外部散熱器，以利用空氣流動(dòng)去除熱量。由于該專(zhuān)有散熱器的構造和模制封裝，僅有氣流而沒(méi)有散熱器就可去除頂部的熱量。


圖4顯示了LTM4620的熱像以及在26A設計時(shí)12V至1V的降額曲線(xiàn)。當具有200LFM氣流時(shí)，溫升僅為35°C (在環(huán)境溫度以上)，而且降額曲線(xiàn)顯示：一直到大約80°C時(shí)最大負載電流都無(wú)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(yōu)點(diǎn)。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。

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(shí)現并聯(lián)工作。該設計顯示了一種利用一個(gè)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(gè)連接二極管的晶體管。
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圖6顯示兩相并聯(lián)輸出、1.5V 時(shí)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(mǎn)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(jīng)過(guò)了準確微調和測試，以實(shí)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(tài)響應電流模式架構很好地滿(mǎn)足了高性能處理器、FPGA 和定制ASIC所需的低壓內核電源要求。出色的輸出電壓初始準確度和差分遠端采樣在負載點(diǎn)提供適當的DC電壓調節。獨特的熱量控制能力和卓越的均流允許將輸出電流能力擴展至高達超過(guò)100A。為每個(gè)穩壓器通道設定多相工作無(wú)需外部相移時(shí)鐘源。每個(gè)LTM4620具有一個(gè)“時(shí)鐘輸入”引腳和一個(gè)“時(shí)鐘輸出”引腳，以及用于對并聯(lián)通道進(jìn)行定時(shí)的內部可編程相移功能?？梢赃x擇外部頻率同步或內部?jì)戎枚〞r(shí)。這些定時(shí)功能進(jìn)一步實(shí)現了功率調整概念。

圖7顯示了8 相、4 個(gè)µModule 穩壓器100A 設計圖片以及所有4個(gè)穩壓器的均流圖。所有8個(gè)相位是定時(shí)相位，并連接到一起以實(shí)現可擴展至100A 的均流方案。正如圖7注釋所示，要支持100A的電源解決方案，實(shí)際的µModule穩壓器占用的電路板空間大約為1.95平方英寸。這就為這類(lèi)大電流提供了卓越的高密度電源解決方案。一個(gè)散熱器可以運用到所有4個(gè)模塊上，以通過(guò)空氣流動(dòng)去除電源損耗。這可防止大量電源損耗消散到系統電路板中。


LTM4620 µModule穩壓器為高密度電源解決方案提供了一種新概念。這款高性能穩壓器裝在一個(gè)進(jìn)行了卓越的熱設計的封裝中，使大功率設計能在非常小的外形尺寸內實(shí)現。具備準確均流的多相定時(shí)功能實(shí)現了25 A、50 A和超過(guò)100 A的可擴展設計。LTM4620 獨特的熱特性在環(huán)境溫度逐漸上升時(shí)，允許全功率工作。在實(shí)現大電流設計的同時(shí)，還可以將功率損耗和溫度控制在可接受的水平。

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