大电流DC/DC转换器的引脚设计

随着电子系统中数字电路的电源电压降至1.0 - 1.5V范围内，以及负载板上的功耗上升，DC/DC转换器模块需要提供非常大的输出电流。转换器制造商日渐迎合业界对更大功率和更小封装的需求。例如，5年前，一个半砖转换器最多只能提供30A的电流，而现在半砖转换器最高可提供100A电流。同样在5年前，四分之一砖转换器仅提供15A，而现在可提供60A电流。虽然这对正在寻求更大功率密度的中国通信系统设计工程师来说是个好消息，但是同时也引发了如何解决由于更大的电流带来设备温度升高的问题。要处理如此大的电流，输出功率的引脚数需要翻番。

图 1，穿过V+ 功率平面的电压情况，转换器每个引出端有两个引脚并排。(图中未显示名义DC电压)

图2，穿过V+功率平面的电压情况，转换器每个引出端具有两个引脚，放置在转换器的两侧。(图中未显示名义DC转换器)

现在，DC/DC砖转换器的制造商和用户中已经达成了一个共识：即需要增加附加功率引脚以在转换器模块和负载板之间更平均地传输和分散热量。但是问题依旧是：这些附加的引脚应该放置在哪里呢?在理想情况下，所挑选的位置应该对用户最有利，并可提供优良的性能。此

外，附加引脚的放置位置应该符合转换器行业的标准，以免发生混乱，并可避免独家供货，方便用户选择。然而，事与愿违的是，一些DC/DC转换器生产商推出的一些产品，其附加引脚的放置位置并不兼容，在行业内对大电流转换器的标准引脚设计也缺乏共识。因此，系统设计师需要自己决定哪种引脚位置将成为新的标准。如果这个情况不改变，设备制造商将不得不独家提供他们的大电流模块，或者接收价格高昂的重新设计。现在是对这个技术问题进行彻底调查，并研究出一个针对大电流数DC/DC转换器新标准引脚设计解决方案的时候了。本文的目的就是为中国设计师提供有关解决这个问题的一些技术参考。

首先，应认识到：需要将功率引脚数量增加一倍并不是因为引脚的电阻。一个直径为80mil的铜引脚电阻约为20到。当这个引脚承载 100A的电流时，它的功率耗损仅为0.2W。由于这个 100A 从V+ 引脚流出来，并流回返回端(或地)引脚，共损耗了0.4W。通过将功率引脚增加一倍，可以降低至　　0.2W。换句话说，效率为 83% 的 1.2Vout、100A 转换器的损耗约为25W。因此，由于引脚电阻的原因，将功率引脚增加一倍所减少的损耗还不及总损耗的1%。

图 3，大电流半砖引脚设计，同一引出端引脚并排相邻放置。

图4，SynQor的大电流半转引脚设计，同一引出端引脚分布于转换器两侧。

将功率引脚数量增加一倍的首要原因是当输出电流从负载板的功率平面上的引脚向外传输时，降低负载板出现的损耗。SynQor 公司广泛地研究了这个问题，通过理论分析和严密控制的实验室测试，已经开发出有助于为大电流DC/DC转换器附加引脚确定理想位置的模型。为了更好地理解上述分析：设想一个12英寸见方的标准负载板。假设这块板周围有4个均匀分布的负载，每个吸取25A的电流，同时设想一个100A的半砖转换器就贴装在这块板的一边。进一步假设，连接转换器和这些负载的功率平面是由1盎司的铜制成，每平方的电阻为1mΩ(考虑到很多阻断它的通孔)。

我们先来看看每个引出端仅使用一个输出引脚从半砖转换器吸取100A电流的情况。然后，将其结果与每个引出端采用双倍的输出引脚的两种方法进行比较。

当转换器的每个端仅有一个功率引脚时，我们可以非常轻松而且精确地计算出功率平面的电压情况。在SynQor进行的仿真中，观察到距离引脚大约6英寸处有80 mV 压降。出现如此大的压降是因为在充分利用功率平面整个宽度之前，电流必须从一个小点(引脚)发散出去。这个“发散”区域的阻抗是很大的。100A的情况下， 80 mV 损耗8W。如果考虑到电流返回到转换器的返回引脚时引起的损耗，这个数字就会翻一番。16W的损耗和160mV的电压降(1.2V的13.3%)都太大，从而再次说明对大电流DC/DC转换器我们需要将输出引脚数增加一倍。

考虑图1中转换器的电压曲线：在该方案中，V+端增加了第二个功率引脚，测试图形中，在该引脚上名义DC电压(如1.2V)从刻度比例上被取消了，从而使我们能够完全关注从引脚到负载的电压降。图1的刻度比例同样也使我们不能把第二个引脚从第一个中分离出来。注意，该仿真包括引脚周围的散热，尽管它们在这个图表中不能很好地表现出来。对这个转换器来说，附加输出引脚的放置地点是原始引脚0.2英寸以内的地方(对齐)。这种引脚设计(详见图3)已经被一些主要的DC/DC转换器厂家采用。相邻的引脚位置可能对转换器的布局很方便，但它对解决用户的问题却帮助不大。距离转换器6英寸的电压降大约是70mV，比仅采用一个引脚时少 10mV。整体功率节约为2W，功率损耗

为16W。

通过测试电流如何从引脚发散可以找出该改善的原因。正如图中仿真所示，电流充分扩散以利用功率平面的宽度，必须经过几英寸的距离。但是由于两个引脚的放置位置仅相隔0.2英寸，它们的电流迅速地迭合在一起，就像只有一个引脚一样。因此，拥有两个引脚的作用被限制在引脚附近，而引脚附近的地方仅仅是整个扩散电阻的一小部分。

然而，让我们来看看附加的引脚放置在半砖转换器的另一侧时的情况。图4说明SynQor大电流半砖引脚的设置，其中附加引脚放置在相反极性引脚外部0.2英寸的地方对齐。随着电极的反转，每对电源引脚的距离为1.6英寸。正如图2的电压情况显示，在离转换器6英寸的地方的电压降比仅采用一个引脚低约 40 mV。这种情况下，整体功率节约为8W，功率损耗为16W。图1和图2的区别很明显，因为在第一个引脚设计中，这两个输出引脚在从表面上看是不可区分的，而 在第二个设计中，它们之间明显地隔开了。

第二个设计最重大的改进就是因为两个引脚之间的距离是1.6 英寸，而不是0.2英寸。这样一来，从每一个引脚的电流在与另一个电流迭合之前就基本完成扩散。由于有两个平行的通道，有效的扩散电阻几乎被分割

成两半。很显然，从用户的角度说，图4中附加引脚的位置比图3中的位置要好。

除了上述说明的优势之外，SynQor的设计极大地降低了在客户的负载板上的电阻扩散，使连接的寄生电感能够降低90%。这个提高使模块具有更好的瞬态反应，降低输出纹波，改善均流能力。

进一步说，图4的附加引脚的放置位置不仅能够降低负载板的功率损耗。转换器的一些热量也能够沿着引脚传下来，发散到负载板上。这条通路上可以有多少热量经过取决于负载板由于其他散热源的原因，温度有多高。在我们半砖的例子中，我们看见功率平面内的功率损耗通过选择更好的引脚地点，降低至8W。这个降低使转换器区域中的负载板温度更低，从而使更多的热量能够从转换器流向引脚。这样能够降低转换器的温度，并增加转换器的可靠性。

由于不同的制造商有各自不同的引脚方式，有人可能会认为设计时不同的引脚方式间兼容设计是不可能的。但有趣的是，只需要很小的改进，不同的引脚设计可以彼此相互兼容替代，只需在负载板上多挖一些孔即可。然而，问题并不仅仅是非独家供货问题，而是性能。采用相反极性引脚的设计带来更低的电压降、电感和功率损耗，极大地提高了性能。如果采用相反的极性引脚组，其他的转换器能够达到相似的性能提升，尽管它们将附加引脚放在目前的地方。这就是为什么行业标准的选择必须非常明智，不仅仅要考虑引脚的位置，同时还有考虑引脚极性和导致的性能变化。

大电流四分之一砖转换器上安装附加引脚的位置也有同样的问题。例如， SynQor公司在其60A四分之一砖的产品上在原有引脚外部0.15英寸处放置附加的引脚。更重要的是，与半砖布局一样，该设计将极性相反的终端并排放在一起。尽管对这个更小的转换器来说，给定的终端两个引脚之间的距离现在仅为0.75英寸，而不是1.6英寸，这个设计比给定终端两个引脚之间距离仅为0.15英寸的设计更加优越。

这个分析说明，大电流转换器的引脚设计不应该忽视，而应该引起重视。性能的结果很真实，而且设计工程师还不确定行业标准将是什么。现在是为大电流转换器砖引脚确定一个明智的标准的时候了。当越来越多的四分之一砖转换器超过60A、也需要双倍的引脚设计时，这个要求会更加迫切。增加一倍的相反极性设置，并使引脚之间的距离最大化，能够为四分之一砖提供与二分之一砖同样的技术和商业优势。然而一些DC/DC转换器还维持双正、双负的配置。由于DC/DC转换器没有相关的标准化机构，针对大电流DC/DC转换器引脚标准化的任何决定都将由市场决定。换句话说，每个人都可能按照市场领导者的方式而行动。如果是这样的，让我们希望OEM和ODM厂商能够明智地选择。