实际功率密度：26A μModule稳压器可在狭小空间内保持冷却

每一代高端处理器、FPGA 和 ASIC 都需要更高的功率，但即使预计电源将承载更重的负载，它们获得的电路板空间也更少。现在，POL（负载点）电源通常以数十安培到超过一百安培的低输出电压≤产生数十安培至超过一百安培的电压轨，并且空间比前一代产品更小。

必须支持高负载电流并适合狭小空间的电源通常主要根据其功率密度或瓦特/厘米来判断2.事实上，许多最新的封装电源和分立式解决方案都宣称其高功率密度令人印象深刻——电源制造商似乎能够从更小的封装中榨取越来越多的功率。不幸的是，功率密度的惊人增长背后潜伏着一个大问题。这个问题是热量。（参见下文“功率密度的实际成本”）

在高电流和低电压下，散热是一个重大问题。在许多系统中，提高功率密度实际上使问题更加复杂，因为在更小的空间内增加功率也会增加功率损耗的密度 - 在更小的空间内增加更多的热量。仅仅将高功率电源挤压到电路板上是不够的，还必须仔细评估解决方案的功率损耗和热阻，这两个参数可以决定稳压器的成败。高功率密度的说法可能令人印象深刻，但如果电源产生的热量没有得到有效管理，这些声明的承诺是空洞的。

LTM4620 通过将一个完整的双输出稳压器压缩到一个 15mm × 15mm × 4.41mm LGA 封装中解决了真正的功率密度问题，该封装经过独特设计，可最大限度地降低热阻，从而简化热管理。该封装包括一个内部散热器和其他尖端功能，可产生有效的顶部和底部散热器，使其即使在高温环境中也能以最大负载电流运行。

LTM4620采用 15mm × 15mm × 4.41mm LGA 封装。单个器件可以提供两个独立的输出（13A）（图 4）或单个输出（26A）（图 5）。多个 LTM4620 可以组合以产生 50A 至超过 100A 的电流 （图 7）。

图1.LTM4620 LGA 封装包括顶部和底部的热触点，这些触点连接到一个独特的内部散热器，从而通过最大限度地减小内部热阻来保持内部组件冷却。

功率密度的实际成本

注意热量

不必要的热量是高性能电子系统设计人员面临的主要挑战。现代处理器、FPGA 和定制 ASIC 会随着温度的升高而消耗越来越多的功率。为了补偿这些功率损耗，电源必须增加其功率输出。这反过来又会增加电源的功耗，为已经很热的系统提供额外的热量，依此类推。除非热量排空得足够快，否则整个系统的温度可能会升高到必须降额以补偿大多数组件的程度。

系统和热工程师花费大量时间和精力对复杂的电子系统进行建模和评估，以消除系统中不需要的热量。风扇、冷板、散热器甚至冷却浴浸没都是工程师为克服热量而实施的策略。冷却尺寸、重量、维护和成本成为工程和制造预算的重要组成部分。

随着系统增加功能和性能，热量只会上升。大多数处理器和电源的运行效率都尽可能高，冷却系统是昂贵的缓解措施。因此，必须通过改善组件级别的功耗来简化和节省成本。问题在于，大多数紧凑型封装电源解决方案要么耗散过多的功率，要么热阻过高，无法有效地去除足够的热量，使其在高温下运行而不会显着降额。

功率密度数字并不像看起来那么令人印象深刻

术语高功率密度DC/DC稳压器具有误导性，因为它没有解决器件相对于温度的行为。系统设计人员通常希望满足瓦特/厘米的要求2要求，电源制造商很乐意满足令人印象深刻的功率密度数字。即便如此，任何器件的数据手册中都隐藏着与温度相关的值，这些值可能比引用的功率密度更重要。

例如，考虑一个 2cm × 1cm DC/DC 稳压器，可为负载提供 54W 的功率。这计算得出了令人印象深刻的 27W/cm 的额定功率密度2.这个数字应该满足一些设计师的功率和尺寸要求。然而，经常被遗忘的是功耗，功耗会导致电路板温度上升。数据手册中列出了DC/DC稳压器的热阻等关键信息，包括封装的结对壳、结对空气和结对PCB热阻的值。

为了继续这个例子，该稳压器还有另一个吸引人的属性：它以令人印象深刻的90%的效率运行。即使在如此高效率下，它也能耗散 6W，同时在具有 54ºC/W 结空热阻的封装中为输出提供 20W 的功率。将 6W 乘以 20ºC/W，结果是比环境温度升高 120ºC。在 45ºC 环境温度下，该 DC/DC 稳压器封装的结温升至 165ºC。这远远高于大多数硅IC规定的典型最高温度，大约为120ºC.以最大额定值使用此电源需要大量冷却，以将结温保持在120ºC以下。

即使DC/DC稳压器满足了系统的所有电气和功率要求，如果它不能满足基本的热准则，或者在考虑散热措施时证明成本太高，那么所有令人印象深刻的电气规格都是没有意义的。评估 DC/DC 稳压器的热性能与判断伏特、安培和厘米一样重要。

独特的封装设计实现了真正的高功率密度

LTM4620 专为在高功率密度下产生双路或单路输出而设计，并具有易于管理的热特性。与其他高功率密度解决方案不同，它是真正独立的，不需要笨重的散热器或液体冷却即可在最大负载电流下运行。

图 2 显示了未模制 LTM4620 的侧视图渲染图和俯视图照片。该封装由一个高导热BT基板组成，该基板具有足够的铜层，可提供载流能力和对系统板的低热阻。内部功率 MOSFET 堆叠在专有的引线框架中，以在器件的顶部和底部产生高功率密度、低互连电阻和高导热性。所有部件都配有专有的内部散热器，该散热器直接连接到功率 MOSFET 堆栈和功率电感器，以实现有效的顶部散热。

图2.LTM4620侧视图渲染图和未模制LTM4620的照片显示了顶部散热器。

散热器和模具封装的结构使器件保持低温运行，即使热管理只是强制气流穿过封装顶部。对于更强大的解决方案，可以将外部散热器连接到顶部裸露的金属上，以实现更好的热管理。

图 3 示出了 LTM4620 的热图像和 12V 至 1V /26A 设计的降额曲线。温升仅比环境温度高35°C，没有散热器和200LFM的气流。降额曲线显示，在~80°C下可获得最大负载，远远超过热图像显示的全运行部件的65°C。

图3.LTM4620热图像和降额曲线。

这一结果揭示了热增强型高密度功率稳压器解决方案的真正优点。独特的封装设计使该器件不仅可以在狭小的光点产生高功率，而且不会显著增加发热问题或需要降额。很少有其他高功率密度解决方案可以在不添加昂贵的散热组件和策略的情况下实现这一要求。

双通道 13A 稳压器

图 4 示出了采用双输出设计的 LTM4620 μModule 稳压器的简化框图。其两个内部高性能同步降压稳压器产生 1.2V 和 1.5V 电源轨，每个电源轨均具有 13A 负载电流能力。输入电压范围为 4.5V 至 16V。

图4.LTM4620 在双输出 1.5V/13A 和 1.2V/13A 应用中的框图。

LTM4620 的输出电压范围为 0.6V 至 2.5V，对于 LTM0A 而言，其输出电压范围为 6.5V 至 5.4620V。总输出精度为 ±1.5%，具有 100% 经过工厂测试的精确均流、快速瞬态响应、带自时钟和可编程相移的多相并联操作、频率同步以及精确的远端采样放大器。保护功能包括输出过压保护反馈参考、折返过流保护和内部温度二极管监控。

1.5V/26A，15mm2轻松进行热管理

图 5 示出了一款 1.5V/26A 解决方案，该解决方案在一个并行的两相设计中结合了 LTM4620 的两个输出通道。跑步、赛道、合成、VFB、PGOOD 和 V外引脚连接在一起，实现并联操作。该设计还具有一个 LTC2997 温度传感器，用于监视 LTM4620 的内部温度二极管。

图5.LTM4620 的两个输出可连接在一起，以产生一种 2 相、2 并联通道设计，该设计可在 1A 电流下产生 5.26V。内部二极管温度监视通过 LTC2997 提供。

图6显示了两相并联输出的1.5V效率和两个通道的均流。对于这种高密度、高降压比解决方案，2%的效率非常好，热结果与图86所示的1V解决方案一样好或更好。由于θ低，温升得到很好的控制贾板安装后的热阻。有效的顶部和底部散热使 LTM4620 能够在全功率下以低温升运行。

图6.2相、单输出26A设计的效率和均流如图5所示。

图6显示了V的均衡均流输出1和 V输出2.LTM4620 的内部控制器经过精确的修整和输出均流测试。

LTM4620 的电流模式架构可提供高效率和快速瞬态响应 — 这是高性能处理器、FPGA 和定制 ASIC 的低压内核电源的最高要求。出色的初始输出电压精度和差分遥感可在负载点实现精确的直流电压调节。

LTM4620 独特的热能力和其严格的均流能力使得能够轻松地将输出扩展到 100A 以上 （参见图 7）。无需外部时钟源即可设置多相操作——CLKIN 和 CLKOUT 引脚为并行通道产生内部可编程相移。LTM4620 支持外部频率同步或内部内置时钟。

图7.8 个 μModule 稳压器组合在 100 相并联设计中，支持 <>A。

实际功率密度：100mm以下50A2带风冷

图7显示了并联组合的四个μModule稳压器，以产生一个8相、100A设计。图8显示了所有四个稳压器的平衡均流。如图7所示，整个100A解决方案仅占用约1.95平方英寸的电路板空间。即使在如此高的电流下，也可以在所有四个模块的顶部施加简单的散热器和气流，以消除足够的功率损耗，无需降额。从顶部释放热量还有助于保持系统主板冷却，以最大程度地减少对其他组件的加热影响。

图8.四个 LTM4620 的均流组合在一个图 100 所示的 7A 设计中。

结论

LTM4620 μModule 稳压器是一款真正的高密度电源解决方案。它在高功率密度稳压器领域脱颖而出，因为它管理热量，这是许多宣称的高密度解决方案的致命缺陷。它具有两个高性能稳压器，封装在卓越的散热封装内，这使得适合狭小空间的高功率设计成为可能，只需最少的外部冷却。内置多相时钟和经过工厂测试的精确均流功能可轻松将输出电流调整至 25A、50A 和 100A+。LTM4620 独特的热特性允许在较高的环境温度下实现全功率操作。

审核编辑：郭婷