为什么 DC/DC 稳压器的效率指标会造成假象?

注：本文包括一个链接，连接至一个热量测量的视频说明。

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/W j-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，3.5W X 22ºC/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 15mm x 15mm 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/W j-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。

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 15mm x 15mm 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，200 LFM 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。

 
图 2：如图 1 中 48A、1.5V 电路的热像，在各 DC/DC µModule 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 (V_IN = 20V 至 1.5V_OUT/40A)。

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

  
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 (12V_{IN/ 至 1.0VOUT/40A)}

 
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  (12V_IN 至 1.0V_OUT/40A)

你的系统有多环保?
    这里是另一个需要高达 15A 的大负载电流的 3.3Vin 系统的例子。LTM4611 采用耐热增强型 LGA (焊盘网格阵列) 封装，以小的焊盘格局 (仅为 15mm x 15mm) 和小的物理体积 (高度仅为 4.32mm，占用空间仅为 1 立方厘米) 提供了富有吸引力的高效率。图 6 显示了 LTM4611 在各种不同的输入和输出电压组合情况下的效率。除了高效率，就给定输入电压条件而言，LTM4611 的功率损耗曲线也相对平坦，这使 LTM4611 在后续产品中的热设计和重用变得容易了，即使由于 IC 芯片缩小，轨电压变为更低值时也一样。

面对应用数量的日益增加，降低轻负载时的功耗与降低重负载时的功耗相比，如果不是更重要，起码也是一样重要。只要可能而且无论何时只要现实 (就节能而言)，数字设备就被有意设计为在较低功率状态工作，而且仅间歇性地吸取峰值功率 (满负载)，这种情况越来越普遍。图 6 显示，在较轻负载电流 (<3A) 时以 PSM 和突发模式工作，效率上可获得的好处。

 图 6：超低 V_IN 15A DC/DC 微型模块稳压器 LTM4611 的效率

耐热增强型封装
    该器件的 LGA 封装允许同时从顶部和底部散热，从而为使用金属底盘或 BGA 散热器提供了方便。这种外形在有或没有气流时，都有助于实现卓越的散热。图 7 显示了 LTM4611 顶部的红外 (IR) 热像，在实验台上进行测试且没有气流时，显示功率损耗为 3.5W，并将 5V 输入转换为 1.5V/15A 输出。最热的表面温度约为 65°C。

 
图 7：LTM4611 稳压器从 5Vin 至 1.5V/15A 输出的顶部热像。功耗为 3.5W。
在实验台上进行且没有气流时的测试结果，表面温度热点为 65°C。

    与图 7 对比，图 8  显示了另一个 LTM4611 顶部的 IR 热像，在实验台上进行测试且没有气流时，显示功率损耗仅为 3.2W，并将 1.8V 输入转换为 1.5V/15A 输出。热点位置 (而不是热点大小) 与用 5V 输入工作时看到的位置略有变化。

 
图 8：1.8V_IN、1.5V_OUT/15A 输出负载、3.2W 功率损耗、气流为 0LFM、
表面温度为 65ºC时的技术 视频 (URL：http://video.linear.com.cn/55)

 热性能的技术短片 (Tech Clip)
    对于许多 DC/DC &micro;Module 稳压器而言，为了证明其热性能，除了提供效率指标和输出功率降额曲线之外，简捷明快的 45 秒视频技术短片是帮助了解器件热特性的一种极为有用的方法。图 8 给出了 LTM4611 的技术短片示例。采用了一部红外摄像机来记录 LTM4611 操作期间其表面温度随着发热而变化的情况。需特别留意用于测量 LTM4611 表面温度的矢量 (标注为 1 和 2)。测量的环境温度为 31.5ºC。

蓝色代表最低温度，黄色指示较热的区域。请注意，当观察颜色以确定温度时，色谱 (蓝色到黄色到白色) 指示温度的变化，而不是绝对值。例如，一种情况下的黄色可能对应于 70ºC，但在其他测试条件下则代表 110ºC。因此，除了颜色，还需特别注意温度的值。颜色可用来快速判断冷热区域，但是就温度值而言，始终需要读取细线的值。

图 8 的技术短片是在 1.8Vin 和 1.5V 输出 (极低压差开关调节) 以及非常高的 15A 负载电流情况下测试的。没有线性稳压器能在 15A 时提供低压差。尽管计算所得效率为 83% (= 1.5/1.8V)，但是线性稳压器在 15A 时会很容易消耗 4.5W 功率。LTM4611 在 0LFM 时功率损耗仅为 3.2W，热点温度仅为 65ºC，这是微不足道的。这些数字允许系统设计师搭建一个非常紧凑的电路，因为散热限制最大限度地减少了。对于散热器、风扇和大的 PCB 铜面积的依赖有所降低。假如您还剩有 45 秒的时间，请观看一下这部视频短片。

结论
    如果 DC/DC 稳压器的效率很高或可接受，那么研究一下封装热阻吧。尝试在不同的工作条件下理解产品的热 (温度) 性能。在 DC/DC 开关稳压器中，例如，视 VIN 与 VOUT 比值的不同，热量和效率值是不同的。当然，也要考虑环境温度和气流。这么做的同时，还需意识到，当热量管理成为关注点时，高效率转换值可能产生误导作用。一个明智的主意是，简单地计算功耗，以确定大致的节温。研究一下制造商提供的大量的热量数据，例如热像和降额曲线。一款高品质 (尤其是采用了一种模块化形式) 的DC/DC 稳压器解决方案，应能凭借相关的数据、图像、或许还包括视频短片使您对其性能深信不疑。

 表面温度 (URL：http://video.linear.com.cn/55) 。