真正的功率密度：26A μModule 稳压器可在狭小空间里保持低温

每一代的高端处理器、FPGA 和 ASIC 的功率需求都在增加，但即使在期待电源支持重得多的负载情况下，为其提供的电路板空间却在不断地缩减。如今，让 POL (负载点) 电源在几十 A 到超过 100A 的电流和≤1V 的低输出电压下、以及比前一代产品更小的空间里产生多个电压轨的情况十分普遍。

对于那些必须支持大负载电流并安放在狭小空间中的电源而言，它们的判断标准通常主要基于其功率密度 (即：W/cm2)。的确，许多最新的封装电源和分立式解决方案都宣称具有过人的高功率密度，电源制造商似乎能从日益缩小的封装“挤压”出越来越多的功率。不幸的是，在功率密度惊人增长的背后却潜藏着一个大问题。这个问题就是热量 (参考文章后的资料)。

在大电流和低电压条件下，热耗散是一个重大的问题。在许多系统中，提升功率密度实际上会使该问题复杂化，因为在较小的空间里提供更多的功率同样也增加了功率损失的密度，也就是在较小的空间里产生更多的热量。仅仅把一个高功率电源塞到一块电路板上是不够的，解决方案还必须就功率损失和热阻进行谨慎的评估。究竟是不是一款上佳的稳压器，这两项参数可起到决定性的作用。声称拥有高功率密度虽然是很吸引，但如果未能对电源产生的热量加以有效的管理，那么这些宣称指标所做的承诺就是一句空话。

通过把一个完整的双输出稳压器集成到一种专为最大限度地减小热阻 (并由此简化热管理) 而进行了独特设计的15mm x 15mm x 4.41mm LGA封装之中，LTM®4620 解决了实际的功率密度问题。该封装包括了一个内部散热器以及其他可实现顶面和底面有效散热的先进特性，从而使其能在最大负载电流条件下运行，即使在高温环境中也不例外。

LTM4620 μModule®稳压器使得大电流电源能够安放在狭小的空间里。热管理功能电路内置于封装之中，以避免在电路板上出现热点 (这是采用 POL 电源时的一个常见问题)。

图 1 示出了 LTM4620 采用的15mm × 15mm × 4.41mm LGA封装。单个器件能提供两个 13A 的独立输出 (图 4) 或一个 26A 的单输出 (图 5)。可以把多个 LTM4620 组合起来以产生从 50A 至 100A 以上的电流 (图 7)。

图 1：LTM4620 LGA 封装在顶面和底面上具有连接至一个独特内部散热器的热触点，其通过最大限度地减小内部热阻将内部组件保持在低温状态

独特的封装设计可实现真正的高功率密度

LTM4620 设计伊始其目标就是以高功率密度和易于管理的热特性来产生双输出或单输出。与其他的高功率密度解决方案不同，它是真正的独立型器件，不需要使用笨重的散热器或液体冷却装置即可在最大负载电流条件下运作。

图 2 示出了未模制的 LTM4620侧面透视图和顶视图照片。其封装由一种高导热率的 BT 衬底以及用于实现电流传输能力和低热阻 (至系统板) 的合适铜层所组成。内部功率MOSFET 堆叠于一种专有的引线框架中，以实现高功率密度、低互连电阻、以及至器件顶面和底面的高热导率。所有都在一个专有内部散热器的可控范围之内，而这散热器直接连接至功率 MOSFET 堆栈和功率电感器以实现有效的顶端散热。

散热器和模制封装的构造可使器件在运行时保持很低的温升，即使在热管理措施仅仅是强制气流吹过封装顶部的情况下也不例外。如果想获得一款更加稳健的解决方案，则可把一个外部散热器连接至顶端的裸露金属以提供更好的热管理。

观察实际运行情况

访问 video.linear.com.cn/126 可了解 LTM4620 让人赞叹的性能。这里提供的视频短片说明了实际的实验工作台配置和短路保护的测量、热特性与温升 (在 26A 和 100A)、散热器连接以及启动、稳态和停机时的高精度均流。

图 3 示出了 LTM4620 针对 12V 至 1V/26A 设计的热像和降额曲线。在未采用散热器、气流为 200LFM 的情况下，温度仅上升至比环境温度高 35ºC。如降额曲线所示，一直到约 80ºC的温度条件下都可提供最大负载电流，这远远超过了完全运行器件之热像图所示的 65ºC。

这项结果表明了耐热性能增强型高密度电源稳压器解决方案的实际优点。独特的封装设计使器件不仅能在极其狭小的位置空间里产生高功率，同时还不会对散热问题产生显著的影响或者要求进行组件降额。极少有其他的高功率密度解决方案能够在不增设昂贵的发热缓解组件及采取相应对策的情况下出此豪言。

双输出 13A 稳压器

图 4 示出了 LTM4620 μModule稳压器在双输出设计中的简化方框图。它的两个内部高性能同步降压稳压器负责产生 1.2V 和 1.5V 电压轨，并各具 13A 的负载电流能力。输入电压范围为 4.5V 至 16V。

LTM4620 的输出电压范围为 0.6V 至 2.5V，而 LTM4620A 的输出电压范围则为 0.6V 至 5.5V。总输出准确度为±1.5%，并具有经过 100% 出厂测试的准确均流、快速瞬态响应、多相并行操作以及自定时和可编程相移、频率同步、和一个准确的远端采样放大器。保护功能包括参考于反馈的输出过压保护、折返过流保护和内部温度二极管监视。

利用简易的热管理在 15mm2占板面积内提供 1.5V/26A

图 5 示出了一款 1.5V/26A 解决方案，其将 LTM4620 的两个输出通道组合成一种并联两相设计。RUN、TRACK、COMP、VFB、PGOOD 和 VOUT引脚连接在一起，以执行并联操作。另外，这款设计还采用了一个 LTC®2997 温度传感器，用于监视 LTM4620 的内部温度二极管。

图 6 示出了两相并联输出的 1.5V 效率以及两个通道的均流。对于这样一款高密度、高降压比解决方案来说，86% 的效率是非常好。而且，与图 3 所示的 1V 解决方案相比，散热效果相当甚至更好。由于电路板安装之后的低θJA热阻，因此温升处于良好受控的状态。有效的顶面和底面散热使 LTM4620 可在满功率下运作，并产生很低的温升。图 6 示出了 VOUT1和 VOUT2的均衡电流分配。LTM4620 的内部控制器针对输出均流进行了准确的修整和测试。

LTM4620 的电流模式架构可提供高效率和快速瞬态响应，这是用于高性能处理器、FPGA 和定制 ASIC 的低电压内核电源的头等要求。出色的初始输出电压准确度和差分远端采样可在负载点上实现准确的 DC 电压调节。

LTM4620 独特的热性能及其精确的均流能力可使其轻松地将输出调节至 100A 以上 (见图 7)。设置多相操作无需借助外部时钟源，CLKIN 和 CLKOUT 引脚可负责产生用于并联通道的内部可编程相移。LTM4620 可支持外部频率同步或内部板载定时。

实实在在的功率密度：利用空气冷却可在< 50mm2占板面积内提供 100A

图 7 示出了 4 个μModule稳压器通过并联组合构成一款 8 相、100A 设计的情形。图 8 则显示了全部 4 个稳压器的均衡电流分配。如图 7 所示，整个 100A 解决方案仅占用大约 1.95 平方英寸的电路板空间。即使在这种大电流条件下，仍然可以通过在所有 4 个模块的顶部布设一个简单的散热器并施加冷却气流以消除足够的功率损失，因而无需进行降额。此外，把热量从封装的顶面散逸出去还有助于使系统板保持低温运行，从而最大限度地减轻对其他组件产生的热效应。

结论

LTM4620 μModule稳压器是一款真正的高密度电源解决方案。在“高功率密度”稳压器市场上，该器件因其能够管理热量而独树一帜，而缺乏此项功能恰恰是许多自诩的高密度“解决方案”之致命缺陷。LTM4620 在一个具出色热性能的封装中内置了两个高性能稳压器，这使得高功率设计能够被纳入狭小的空间之内，并且只需要极少的外部冷却。内置的多相定时和经过出厂测试的准确均流功能可轻松完成输出电流至 25A、50A 和 100A+ 的调节。LTM4620 独特的热特性允许其在高环境温度条件下执行满功率操作。