优化便携设备中大输出电流DC-DC转换的热耗散
图1 Vin=2.7 V、Vout=1.2 V、温度为85℃时的NCP1529能效
将这些数值代入等式1,得到下面的功率耗散最坏情况的表达式:
这个数字非常重要,可以帮助我们优化各种应用的热性能。
功率与温度的相关性
热阻抗(RθJA)用于描述封装将热量从硅结点传递到外界环境中的能力。热阻抗越低,器件就能够越好地传递大量热量。RθJA的表达单位为℃/W,因此我们为工程师提供了一个工具,可将以瓦(W)计算的电气功率(耗散)与以摄氏度(℃)为单位的温度关联起来。
在最新电源器件的数据表中,往往宣称器件的RθJA值极低。但系统设计人员如果期望在终端产品中达到预期的性能,必须密切注意电路板布线和PCB的热设计。NCP1529的数据表显示了器件单独的RθJA(µDFN-6封装,220℃/W),以及这款器件用于推荐的电路板布线时的RθJA(40℃/W)。这些数字显示PCB设计对热阻抗有显著影响。事实上,遵从器件制造商的建议能够将有效的RθJA降低5倍。
知道了RθJA和PDIP(max),就可以使用下面的等式计算出应用能够承受的最大环境温度:
此处,TJmax是器件能够承受的最大结温(NCP1529对应的温度为150℃)。
需要注意的是,NCP1529同时提供TSOP-5和µDFN-6封装,我们可以快速地确定每种封装选择对工作性能的影响。表1归纳了各种封装的功率耗散、封装热阻抗和计算出的最高环境温度。
表1显示,要想转换器在最高的环境温度下令人满意地工作,封装选择是要重点关注的一个事项。
表1:电气域与热域之间的数据转换
封装 |
TSOP-5 |
UDFN-6 |
PDIPmax |
720 mW |
720 mW |
RθJA |
110℃/W |
40℃/W |
TAmax |
70.8℃ |
121.2℃ |
另一种评估封装热特性对应用性能影响的方法是检查功率下降曲线。图2显示了NCP1529的曲线,详述了µDFN-6和TSOP-5封装最大环境温度阈值与功率耗散之间的关系。
图2 IC功率下降特性曲线
环境温度低于70℃时,TSOP-5和µDFN-6封装都可以耗散720mW的功率,因此能满足这一应用的最坏情况要求。然而,µDFN-6封装的功率耗散能力更强,与采用TSOP-5封装的同等转换器设计相比,能够承受的温度更高。
µDFN-6封装的性能优势归因于其热增强型结构,裸露的金属焊盘显著降低了裸片到PCB的热阻抗。
热设计指南
在每次计算中,TA值都假定是最佳可能的热阻抗,也就是使用建议的电路板布线时所能达到的热阻抗。如前文所述,电路板布线对器件热性能以及相应的应用有极大影响。设计师在使用任何DC-DC转换器时都应当查询所选元件的文档,确保通过硬件实现该设计时能够达到预期的性能。
热性能的提高可以可以通过以下特性来优化,譬如加设散热通孔、将关键迹线(trace)宽度拓至最宽、使用对接地层或电源层的热连接,或是指定热性能增强的PCB材料(如绝缘金属基板)。NCP1529的热设计指南建议将VIN迹线加宽,并增加几个通孔,建立多个对电源层的热连接。此外,建议将稳压器的接地引脚连接至PCB顶层。顶层、底层及所有接地层之间应当使用空余的通孔来连接,从而增加散热器的有效尺寸,而且这些通孔应当离得越近越好,或者在使用µDFN-6封装时最好位于裸露焊盘底下。µDFN-6裸露焊盘必须被正确地焊接至PCB主散热器。
当然,设计人员也必须牢记电路板布线对转换器电气性能的影响。优化的热布线应当具备辅助功能,如为大电流通道设置宽迹线,以及单独的电源层和接地层等,将稳压器的噪声免疫性和环路稳定性提升至最佳。
图3显示了使用µDFN-6封装的NCP1529时推荐的焊盘布线,顾及到了电气和热设计注意事项。红色箭头表示热能由封装流向周围环境。
图3 建议的NCP1529 μDFN-6电路板布线
结论
设计人员要在当今便携产品严苛的空间限制下应用高性能DC-DC转换器,必须密切注意工作条件、功率耗散、元器件性能和热设计。与旧款的功率封装相比,具有热增强特性的最新小型封装技术支持更高的功率耗散。便携系统设计人员通过将这些最新小型封装同板级的热设计相结合,就能够在小空间中视实现可靠的大电流设计。
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