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

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。