Масштабируемый POL-стабилизатор высокой мощности с малым тепловыделением: преимущества и особенности выбора

Настоящее искусство разработки компактных DC/DC-преобразователей с высоким КПД зачастую демонстрируют лучшие инженеры, имеющие обширные знания о законах физики и прикладной математики, применяемых в процессе преобразования напряжения, а также солидный багаж опыта проектирования таких устройств. Глубокое понимание диаграмм Боде, уравнений Максвелла и расположения полюсов и нулей позволяет создавать элегантные схемы DC/DC-преобразователей. Тем не менее проектировщики микросхем зачастую избегают такой темы, как тепловыделение, — эта работа, как правило, ложится на плечи инженера по корпусированию.

Тепловыделение является серьезной проблемой для POL-преобразователей (Point-of-Load — DC/DC-преобразователь системы распределенного питания для питания в нагрузку, то есть когда нужно запитывать нагрузки в непосредственной близости их размещения), где пространство между микросхемами очень мало. POL-стабилизатор выделяет тепло, потому что КПД не равен 100% — по крайней мере, пока этого никто не добился. Насколько горячим становится корпус в зависимости от его конструкции, трассировки и теплового сопротивления? Тепловое сопротивление корпуса повышает температуру не только POL-стабилизатора, но и печатной платы, а также окружающих компонентов, что влияет на сложность, размеры и стоимость средств теплоотвода системы.

Уменьшение тепловыделения установленного на печатной плате корпуса DC/DC-преобразователя достигается с помощью двух основных стратегий:

1. Распределение тепла по печатной плате. Если микросхема преобразователя монтируется на поверхности печатной платы, то теплопроводящие медные отверстия и слои в печатной плате рассеивают тепло от нижней части корпуса. Если тепловое сопротивление корпуса относительно печатной платы достаточно мало, то этого метода достаточно.
2. Организация воздушного потока. Холодный воздушный поток помогает отвести тепло от корпуса (или точнее, тепло передается молекулам быстро движущегося более холодного воздуха, контактирующего с поверхностью корпуса). Конечно, существуют методы пассивного и активного теплоотвода, которые для упрощения отнесем ко второй категории.

Когда перед разработчиком печатных плат возникает проблема, связанная с повышением температуры компонентов, он может использовать стандартный набор инструментов и средств для уменьшения тепла — например, дополнительные слои меди, радиаторы или вентиляторы с большим диаметром и высокой скоростью вращения. Или просто расширить пространство, то есть задействовать ресурсы печатной платы, увеличивая расстояние между компонентами на ней или утолщая ее слои.

Любое из этих средств можно использовать на плате для поддержания температуры системы в безопасных пределах, но применение данных средств может уменьшить конкурентное преимущество конечного продукта на рынке. Для устройства, скажем, маршрутизатора может потребоваться корпус большего размера, чтобы разместить на плате все необходимые блоки компонентов, или он может стать относительно шумным, поскольку для увеличения воздушного потока применены вентиляторы с более высокой скоростью вращения. Это способно привести к сокращению конкурентных преимуществ конечного продукта на рынке, где компании соревнуются друг с другом в плане компактности, вычислительной мощности, скорости передачи данных, эффективности и стоимости.

Успешное управление тепловым процессом в области мощных POL-стабилизаторов достигается благодаря правильному выбору стабилизатора, что требует тщательных исследований. В статье показано, как выбор стабилизатора может упростить задачу разработчика плат.

Важные параметры для выбора POL-стабилизатора

Ряд рыночных факторов обусловливает необходимость улучшения тепловых характеристик электронного оборудования. Очевидно, что эти характеристики постоянно совершенствуются, даже когда размер продукта уменьшается. Так, цифровые устройства, размер одного транзистора которых составляет 28–20 нм (и даже менее 20 нм), сжигают энергию для обеспечения работоспособности, и разработчики новейшего оборудования используют эти нанометровые процессы для создания более быстрых, компактных, тихих и более эффективных устройств. В результате анализа этой тенденции становится ясно, что в POL-стабилизаторах необходимо повышать плотность мощности: (мощность)/(объем) или (мощность)/(площадь).

Неудивительно, что плотность мощности часто приводится в документации стабилизатора среди основных характеристик, размещаемых на первой странице. Высокие показатели плотности мощности делают стабилизатор отличным решением, и разработчики получают актуальные данные при выборе из широкого спектра доступных вариантов. POL-стабилизатор с плотностью теплового потока 40 Вт/см² должен быть лучше стабилизатора с плотностью теплового потока 30 Вт/см².

Разработчики электронных устройств хотят уместить как можно больше мощности в как можно меньшем пространстве, и превосходные показатели плотности мощности на первый взгляд кажутся единственной информацией, на которую следует обращать внимание при создании самых быстрых, компактных, тихих и эффективных продуктов. Но это то же самое, что сравнивать эффективность автомобиля по его лошадиным силам. И велика ли должна быть плотность мощности для успешного завершения разработки конечного продукта? Меньше, чем вы думаете.

POL-стабилизатор должен соответствовать требованиям приложения, в котором его предполагается установить. При выборе POL-стабилизатора необходимо убедиться, что он будет эффективно выполнять свою задачу на печатной плате, где воздействие тепла может ухудшить работоспособность приложения. Приведенный далее пошаговый процесс выбора POL-стабилизатора предполагает приоритетность тепловых характеристик.

1. Игнорируйте показатели плотности мощности.

Характеристики плотности мощности не предусматривают ухудшение параметров вследствие повышения температуры, что оказывает значительно большее влияние на эффективную плотность мощности в реальном мире.

2. Анализируйте кривые ухудшения параметров с ростом температуры.

Хорошо документированный и описанный POL-стабилизатор должен иметь графики, определяющие выходной ток при различных входных напряжениях, выходных напряжениях и скоростях воздушного потока. В документации должно быть отображено, какой ток может выдавать POL-стабилизатор в реальных условиях эксплуатации, поэтому вы сможете судить о стабилизаторе по его тепловым и нагрузочным возможностям. Соответствуют ли эти показатели требованиям типичной и максимальной температуры и скорости воздушного потока вашей системы? Помните, что снижение выходного тока связано с тепловыми характеристиками устройства. Эти два параметра тесно связаны и одинаково важны.

3. Обращайте внимание на КПД.

Да, КПД не является первым параметром, который нужно учитывать. Показатели КПД могут в отдельных случаях отображать неточную картину тепловых характеристик DC/DC-стабилизатора. Разумеется, для расчета входного тока и тока нагрузки, потребления входной мощности, рассеиваемой мощности и температуры перехода необходимы показатели КПД. Значения КПД должны сочетаться с характеристиками уменьшения выходного тока при увеличении температуры и другими температурными характеристиками, относящимися к устройству и его корпусу.

Так, на первый взгляд понижающий DC/DC-преобразователь с КПД 98% представляет собой отличное решение, особенно если он может похвастаться превосходным значением плотности мощности. Но в итоге предпочтете ли вы его стабилизатору с меньшим КПД и меньшей плотностью мощности? Грамотный инженер должен задаться вопросом по поводу эффекта такой незначительной потери КПД, как 2%. Как эта мощность переходит в повышение температуры корпуса во время работы? Какова температура перехода стабилизатора с высокой плотностью мощности и высоким КПД при температуре +60 °C и при воздушном потоке 200 LFM (линейных футов/мин)? Здесь нужно рассматривать гораздо больший диапазон, чем пределы типичных параметров, которые указаны при комнатной температуре +25 °C. Каковы максимальные и минимальные значения, измеренные в экстремальных условиях: –40, +85 или +125 °C? При такой высокой плотности мощности увеличивается ли тепловое сопротивление корпуса настолько, что температура перехода превышает безопасную рабочую температуру? Насколько сильно ухудшаются параметры у дорогого стабилизатора с очень высоким КПД? Влияет ли уменьшение значений выходного тока на выходную мощность настолько, что дополнительные затраты на устройство больше не оправдываются?

4. Учитывайте простоту организации охлаждения POL-стабилизатора.

Значения теплового сопротивления корпуса, приведенные в документации, являются ключевыми характеристиками для моделирования и расчета повышения температуры перехода, окружающей среды и корпуса устройства. Поскольку большая часть тепла в корпусах поверхностного монтажа переходит из нижней части корпуса в печатную плату, в документации должны также быть приведены рекомендации по трассировке и комментарии, касающиеся тепловых измерений, чтобы минимизировать вероятность появления ошибок при создании прототипа системы.

Хорошо спроектированный корпус должен эффективно рассеивать тепло равномерно по всем его поверхностям, устраняя горячие точки, снижающие надежность POL-стабилизатора. Как уже было сказано, печатная плата способна поглотить и рассеять большую часть тепла от POL-стабилизаторов поверхностного монтажа. Учитывая распространенность принудительного воздушного охлаждения в современных сложных системах с высокой плотностью компоновки, грамотно спроектированный POL-стабилизатор должен также использовать возможность дополнительного охлаждения для отвода тепла от теплогенерирующих компонентов, в частности от МОП-транзисторов и катушек индуктивности.

Отвод тепла к верхней части корпуса и далее в воздух

Один из основных элементов импульсного POL-стабилизатора высокой мощности, позволяющих реализовать преобразование входного напряжения питания в стабилизированное выходное напряжение, — катушка индуктивности (дроссель) или трансформатор. В неизолированном понижающем POL-стабилизаторе используется дроссель. Дроссель и сопутствующие элементы коммутации, такие как МОП-транзисторы, выделяют тепло во время процесса DC/DC-преобразования.

Около десяти лет назад новые достижения в области корпусирования позволили спроектировать и поместить внутрь пластикового корпуса целую цепь DC/DC-стабилизаторов, включая индуктивные элементы. Данные структуры были названы модулями, или SiP (System in Package — система в корпусе). В таких модулях большая часть тепла, образующегося внутри пластикового корпуса, отводится к печатной плате через нижнюю его часть. Любая стандартная попытка улучшить возможности рассеяния тепла корпуса, например крепление радиатора к верхней части корпуса для поверхностного монтажа, способствует увеличению объема решения.

Несколько лет назад была разработана инновационная технология корпусирования модулей, позволяющая использовать доступный воздушный поток для охлаждения. В конструкции такого модуля радиатор встроен в корпус и формован. Внутри корпуса низ радиатора напрямую соединяется с МОП-транзисторами и дросселями, а верх радиатора представляет собой плоскую поверхность, выступающую наружу через верхнюю часть корпуса. Эта новая технология интеграции радиатора в корпус помогает быстро охлаждать устройство с помощью воздушного потока.

Развитие в вертикальном направлении

Размер дросселя в POL-стабилизаторе зависит от напряжения, частоты переключения, проходящего тока и конструкции самого стабилизатора. При модульном подходе, когда цепь DC/DC-преобразования, включая дроссель, формуется и инкапсулируется в пластиковый корпус, что в итоге выглядит как микросхема, дроссель определяет толщину, объем и вес корпуса больше, чем любой другой компонент. Он также является источником большого количества тепла.

Встраивание радиатора в корпус помогает отводить тепло от МОП-транзисторов и дросселя к верхней части корпуса, где оно может быть рассеяно на воздухе, охлаждающей пластине или пассивном радиаторе. Этот метод предпочтителен, когда относительно небольшие и рассчитанные на малые токи катушки индуктивности легко устанавливаются внутрь пластмассового компаунда корпуса, но не очень эффективен, когда в составе POL-стабилизаторов имеются более крупные и рассчитанные на бóльшие токи дроссели, причем размещение таких индуктивных элементов внутри корпуса вынуждает располагать другие компоненты схемы дальше друг от друга, что значительно расширяет занимаемую на печатной плате площадь корпуса. Чтобы эта площадь оставалась небольшой, но в то же время рассеяние тепла было максимально эффективным, инженеры в области корпусирования разработали еще один метод — вертикальный монтаж, или 3D-размещение компонентов (рис. 1).

Рис. 1. Модуль POL-стабилизатора высокой мощности, конструкция которого основана на методе 3D (вертикального) размещения компонентов, позволяющем поднять дроссель над другими элементами и вывести его наружу для охлаждения воздушным потоком, в итоге он функционирует как радиатор. Оставшаяся часть схемы DC/DC-преобразователя размещается на подложке под дросселем, благодаря чему занимаемая на печатной плате площадь уменьшается, а тепловые характеристики улучшаются

3D-корпусирование с размещенным сверху открытым дросселем

Небольшой размер занимаемого на плате места, высокая мощность и лучшие тепловые характеристики — всего этого возможно достичь благодаря 3D-корпусированию, новому методу создания POL-стабилизаторов (рис. 1). LTM4636 [1] представляет собой стабилизатор, использующий технологию µModule, со встроенными интегральными схемами DC/DC-преобразования, МОП-транзисторами, вспомогательными цепями и большим дросселем для уменьшения пульсаций на выходе и обеспечения нагрузки током до 40 А при входном напряжении 12 В, при этом диапазон стабилизированного выходного напряжения составляет 0,6–3,3 В. Четыре LTM4636, действующие параллельно, могут обеспечить ток нагрузки 160 А. Занимаемая на плате площадь корпуса данного компонента составляет лишь 16×16 мм. Другой стабилизатор из этого семейства, LTM4636-1 [2], способен обнаруживать такие события, как перегрев и превышение напряжения на входе/выходе, и отключать стоящий перед ним источник питания или автоматический выключатель для защиты себя и своей нагрузки.

Сторонники оценки мощности LTM4636 могут рассчитать ее плотность и с уверенностью сказать, что ее показатели весьма впечатляющие, но, как уже отмечалось, показатели плотности мощности не раскрывают полную картину. Существуют и другие важные преимущества, которые этот стабилизатор привносит в набор инструментов разработчика систем: хорошие тепловые характеристики, полученные благодаря очень высокому КПД и отличной способности рассеивать тепло.

В целях минимизации размеров посадочного места стабилизатора (корпус BGA 6×16 мм) дроссель был поднят на некоторую высоту и закреплен на двух медных пластинах так, что другие компоненты схемы (диоды, резисторы, МОП-транзисторы, конденсаторы, интегральные схемы DC/DC-преобразования) могут быть запаяны под ним на подложке. Если бы дроссель тоже располагался на подложке, то данный стабилизатор занимал бы на печатной плате площадь больше 1225, а не 256 мм² (рис. 2).

Рис. 2. Дроссель в составе LTM4636 дополнительно исполняет роль радиатора, что позволяет добиться впечатляющих тепловых характеристик в полностью законченном POL-решении с малым посадочным местом

Такая конструкция с поднятым дросселем дает разработчикам систем компактный POL-стабилизатор с дополнительным преимуществом, заключающимся в превосходных тепловых характеристиках. В отличие от остальных компонентов в составе LTM4636 дроссель не покрыт пластиком, а открыт для обдува воздушным потоком. Корпус дросселя имеет закругленные углы для улучшения аэродинамики (обеспечивается минимальная блокировка воздушного потока).

Тепловые характеристики и КПД

LTM4636 является стабилизатором с использованием технологии µModule с выходным током 40 А, основанным на технологии 3D-корпусирования, или CoP (Component-on-Package — компонент на корпусе), как показано на рис. 1. Основа стабилизатора представляет собой формованный корпус BGA размером 16161,91 мм. С дросселем, расположенным поверх формованной секции, высота всего корпуса LTM4636 от низа контактных шариков BGA до верхней части дросселя составляет 7,16 мм.

В дополнение к рассеиванию тепла с верхней части конструкция LTM4636 может эффективно отводить тепло с нижней части корпуса в печатную плату. Корпус BGA имеет 144 шарика припоя с отдельными секциями для контактов заземления (GND), входного напряжения (V_IN) и выходного (V_OUT) напряжения, где протекает большой ток. В совокупности шарики припоя способствуют отводу тепла в печатную плату. LTM4636 оптимизирован для рассеивания тепла как с верхней, так и с нижней части корпуса (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование температурного режима LTM4636 показывает, что тепло легко переходит в корпус дросселя, который обдувается воздушным потоком

Даже при значительном коэффициенте преобразования, 12 В на входе и 1 В на выходе, и при максимальном токе нагрузки 40 А (40 Вт), а также при стандартном воздушном потоке 200 LFM температура корпуса LTM4636 поднимается только на 40 °C относительно температуры окружающей среды (+25…+26,5 °C). На рис. 4 показано тепловое изображение LTM4636 при данных условиях.

Рис. 4. Тепловое изображение функционирования стабилизатора при 40 Вт показывает повышение температуры всего на 40 °C

На рис. 5 представлен график зависимости выходного тока от температуры. При воздушном потоке 200 LFM стабилизатор LTM4636 обеспечивает максимальный ток 40 A при температуре окружающей среды +83 °C. Половина максимального значения тока, 20 А, может обеспечиваться при очень высокой температуре окружающей среды, равной +110 °C. Это позволяет LTM4636 работать при высоких нагрузках, пока имеется хоть какой-то воздушный поток.

Рис. 5. График зависимости выходного тока от температуры окружающей среды показывает, что максимальный ток 40 А может обеспечиваться при температуре до +83 °C и воздушном потоке 200 LFM

Высокий КПД, представленный на рис. 6, в основном является результатом использования высокоэффективных полевых МОП-транзисторов и мощных драйверов LTM4636. Например, DC/DC-контроллер понижающего преобразования при входном напряжении 12 В может достигать следующих значений КПД:

• 95% при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 3,3 В и выходном токе 25 А;
• 93% при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 1,8 В и выходном токе 40 А;
• 88% при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 1 В и выходном токе 40 А.

Рис. 6. Высокий КПД преобразования при различных выходных напряжениях

Пример масштабируемого POL-стабилизатора с тепловым балансом

Один LTM4636 рассчитан на обеспечение токовой нагрузки 40 А. Два LTM4636 в режиме распределения тока (или при параллельном включении) могут выдать 80 А, а четыре — 160 А. Создать такой мощный источник питания, состоящий из параллельно соединенных LTM4636, очень легко: надо просто копировать и вставлять трассировку посадочного места одного стабилизатора, как показано на рис. 7 (символы и трассировка посадочного места находятся в открытом доступе).

Рис. 7. Соединить параллельно стабилизаторы LTM4636 очень легко. Нужно просто продублировать трассировку посадочного места одного канала

Архитектура режима распределения тока LTM4636 обеспечивает его точное распространение между 40‑А блоками, что, в свою очередь, позволяет создать источник питания, который равномерно распределяет тепло между компонентами. На рис. 8 и 9 показан стабилизатор на 160 A, состоящий из четырех модулей LTM4636. Все его компоненты работают практически с одинаковой температурой, гарантируя, что никакой отдельный компонент не будет перегружен или перегрет.

Рис. 8. Точное распределение тока между четырьмя LTM4636, работающими параллельно, приводит к повышению температуры только лишь на 40 °C при выходном токе 160 А

Рис. 9. КПД 160 Вт стабилизатора, состоящего из четырех модулей LTM4636

На рис. 10 показана полная схема источника питания на 160 A. Обратите внимание, что для стабилизаторов LTM4636 не требуется внешнего синхронизирующего устройства, позволяющего работать им со сдвигом по фазе друг относительно друга, поскольку система синхронизации и управления фазой уже присутствует. В общем случае многофазный режим уменьшает пульсацию тока на входе блока питания, но для рассматриваемого решения это также справедливо и по отношению к объединенному выходу, работающему на одну нагрузку. Такой подход снижает количество и емкость входных и выходных конденсаторов, необходимых для эффективной фильтрации по входу и выходу блока питания, уменьшая уровень ЭМП. На рис. 10 показано четыре LTM4636, действующих со сдвигом по фазе 90°.

Рис. 10. Этот стабилизатор мощностью 140 Вт состоит из четырех работающих параллельно LTM4636 с точным распределением тока и имеет высокий КПД при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 0,9 В и токе нагрузки 160 А

Заключение

При выборе POL-стабилизатора для системы с высокой плотностью компоновки необходимо внимательно изучать не только значения напряжения и тока устройства. Оценка тепловых характеристик его корпуса имеет очень большое значение, поскольку они определяют стоимость системы охлаждения и печатной платы, а также конечный размер продукта. Достижения в области 3D-размещения компонентов (или вертикального монтажа, или CoP) позволяют создавать модули POL-стабилизаторов высокой мощности, которые имеют малые размеры посадочного места, но, что более важно, обеспечивают эффективное охлаждение. LTM4636 — первая серия стабилизаторов μModule, получающая преимущества от метода корпусирования с вертикальным расположением компонентов. POL-стабилизатор µModule с током нагрузки 40 А и размещенным над другими компонентами дросселем, функционирующим также в качестве радиатора, занимает на печатной плате площадь 16×16 мм и имеет КПД в пределах 88–95%, при этом его температура при работе на полную нагрузку может подняться лишь на 40 °C. Видеоописание LTM4636 доступно по ссылке [1].