Рассеивание тепла DC/DC преобразователями в портативных устройствах

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2011

Bertrand Renaud, ON Semiconductor

Тщательный подбор элементов и правильная методика теплового расчета способны улучшить характеристики высоко миниатюризованных DC/DC преобразователей, предназначенных для мобильных устройств.

Спрос потребителей на многофункциональность миниатюрных устройств, таких как, мобильные телефоны, портативные медиаплееры или GPS навигаторы, заставляет разработчиков применять все меньшие компоненты в каждой следующей разработке. Когда речь идет о цифровых интегральных схемах (ИС) производители, в соответствии с законом Мура, постоянно уменьшают размеры компонентов, в то же время, увеличивая их производительность и степень интеграции.

Каждое следующее поколение аналоговых ИС так же имеет равные или лучшие характеристики по сравнению с предыдущим, при этом площадь, занимаемая ИС на печатной плате, непрерывно уменьшается. Производители силовых компонентов проводят непрерывную миниатюризацию своих устройств, для того чтобы повысить способность управления энергией при сокращении размеров компонентов, повышая, при этом, плотность мощности.

Следование этой тенденции, однако, налагает на разработчиков жесткие требования по управлению температурой. Энергия, теряемая в процессе преобразования мощности, выделяется в виде тепла. Из-за того, что кристалл меньшего размера имеет меньшую способность к рассеиванию тепла, сокращение габаритов компонентов относительно производимой ими энергии может привести к повышению их рабочей температуры. Нежелательными эффектами, в таком случае, могут быть снижение надежности, непредсказуемое поведение устройства и, в худшем случае, его разрушение. Как правило, более высокая рабочая температура приводит к росту количества отказов.

Использование сверхминиатюрных силовых устройств особенно продуктивно в современных портативных приложениях, но требует пристального внимания на уровне компонентов и на уровне плат для того, чтобы минимизировать количество тепла производимого устройством и обеспечить его эффективное удаление (Рисунок 1). Для уменьшения тепловыделения разработчики стремятся использовать преобразователи с высоким КПД. Например, импульсные преобразователи для приложений общего назначения, таких как локализованные к нагрузке стабилизаторы, предпочтительнее линейных. КПД лучших из этих устройств может достигать 95 … 97%.

Рисунок 1.	Зависимость КПД преобразователя NCP1529 от выходного тока при окружающей температуре 85 °C, входном напряжении 2.7 В и напряжении на выходе 1.2 В.

Улучшить эффективность отвода тепла помогают, недавно появившиеся различные инновационные корпуса в миниатюрном форм-факторе. Они оптимизированы для минимизации температурного сопротивления между кристаллом и корпусом, что позволяет эффективно удалять тепло от устройства. 

Среди последних корпусов, предназначенных для портативных приложений, можно выделить такие сверхминиатюрные безвыводные типы, как µDFN и µCSP, имеющие на нижней стороне открытую металлическую площадку. Эта площадка припаивается так же, как все остальные выводы, позволяя отводить тепло непосредственно в печатную плату. Устройства в таких корпусах, размерами 2 × 2 мм и менее, способны обеспечивать величину постоянного выходного тока в районе 1.5 А.

Для того чтобы даже при максимальных выходных токах обеспечить стабильную работу и высочайшую долговечность конструкций, в которых использованы эти преобразователи, инженерам необходимо применять принципы теплового расчета, принимая во внимание рекомендации производителей относительно таких аспектов, как топология печатной платы.

Расчет рассеиваемой мощности

Выражение для мощности, рассеиваемой импульсным преобразователем, может быть записано в виде:

Предположим, стабилизатор выдает фиксированное выходное напряжение, и при этом достигает наибольшего значения рассеиваемой мощности при максимальном выходном токе и наихудшем КПД. Температура окружающей среды, при этом, достаточно высока, а входное напряжение минимально. Анализ конструкции DC/DC преобразователя поможет продемонстрировать, как рассчитать мощность, рассеиваемую при наихудших условиях, а так же понять, как она связана с температурным сопротивлением корпуса и максимально допустимой температурой окружающей среды.

Возьмем, для примера, DC/DC преобразователь NCP1529 фирмы ON Semiconductor. Эта микросхема, поставляемая в корпусе µDFN-6 с уменьшенным температурным сопротивлением, размером 2×2×0.5 мм или в TSOP-5, размером 3×1.5×1 мм, предназначена для применения в системах с аккумуляторным питанием. Диапазон входного напряжения от 2.7 до 5.5 В позволяет преобразователю работать от одноэлементного литиево-ионного источника или трехэлементной алкалиновой, никель-кадмиевой или никель-металлогидридной батареи. Величина выходного напряжения регулируется от 0.9 до 3.9 В, а максимальное значение выходного тока достигает 1.0 А.

Кроме того, в микросхему интегрирована схема отключения при перегреве для предотвращения повреждения устройства из-за превышения максимально допустимого уровня рабочей температуры. Так, если температура достигает 180 °C, устройство отключается с остановкой всех мощных транзисторов и схем управления. После того как температура опускается ниже 140 °C, устройство снова стартует в режиме мягкого запуска.

Естественно, что процесс разработки оптимальный конструкции должен быть направлен на снижение вероятности возникновения условий отключения микросхемы. Одним из первых шагов к этому должно быть появление четкого представления о том, что такое «КПД».

Предположим, преобразователь должен питать ядро микросхемы напряжением 1.2 В с током до 900 мА. При выходном токе 0.9 А NCP1529 имеет КПД равный 60%. Подстановка этих величин в Уравнение 2 дает следующее выражение для вычисления рассеиваемой мощности в наихудшем случае:

Знание рассеиваемой мощности важно для оптимизации температурных характеристик приложения.

Связь мощности с температурой

Тепловое сопротивление (R_θJA) – это термин, используемый для описания способности корпуса микросхемы передавать тепло от кристалла к окружающей среде. Устройства с меньшим тепловым сопротивлением отдают тепло лучше. R_θJA измеряется в °C/Вт, и для инженеров является инструментом, связывающим электрическую мощность (рассеиваемую) в ваттах с температурой в градусах Цельсия.

В технических описаниях на новейшие силовые устройства постоянно указываются все меньшие значения параметра R_θJA, но за это разработчикам, если они хотят достигнуть ожидаемых характеристик устройств, приходится платить чрезвычайной внимательностью при разводке печатной платы и тепловом расчете. В техническом описании на NCP1529 указаны R_θJA для одиночной микросхемы (220 °C/Вт в корпусе µDFN-6) и для микросхемы, установленной на плату в соответствии с рекомендациями по разводке печатной платы (40 °C/Вт). Данные значения показывают, что топология печатной платы способна сильно влиять на тепловое сопротивление. Фактически, следование рекомендациям производителя способно уменьшить эффективное значение R_θJA в пять раз.

Зная R_θJA и P_DIPмакс., можно вычислить максимально допустимую температуру окружающей среды для приложения, используя следующее выражение:

где T_Jmax – максимально допустимая температура перехода (150 °C для NCP1529).

Вспомнив, что микросхемы NCP1529 выпускаются в корпусах двух типов, TSOP-5 и µDFN-6, можно быстро оценить влияние каждого варианта на область рабочих режимов. В таблице приведены рассеиваемая мощность, тепловое сопротивление и расчетная максимально допустимая температура окружающей среды для каждого корпуса. Таблица показывает, что выбор корпуса является ключевым моментом при конструировании преобразователя, который должен сохранять удовлетворительную работоспособность при максимальной ожидаемой температуре окружающей среды.

Взаимосвязь электрических и тепловых параметров
Корпус	TSOP-5	µDFN-6
PDIPmax (мВт)	720	720
RθJA (°C/Вт)	110	40
TAmax (°C/Вт)	70.8	121.2

Другим способом оценки влияния температурных параметров корпуса на характеристики схемы является рассмотрение кривой зависимости допустимой мощности рассеивания от температуры окружающей среды. На Рисунке 2 эта зависимость изображена для корпусов µDFN-6 и TSOP-5 микросхемы NCP1529.

Рисунок 2.	Зависимость предельно допустимой мощности рассеивания от температуры окружающей среды для микросхемы NCP1529 в корпусах μDFN-6 и TSOP-5.

Ниже 70 °C оба корпуса могут рассеивать 720 мВт и удовлетворять наихудшим условиям этого приложения. Однако улучшенная рассеивающая способность корпуса µDFN-6 допускает работу при более высокой температуре окружающей среды, что обеспечивает бóльшую стабильность, по сравнению с аналогичным вариантом в корпусе TSOP-5. Эксплуатационные преимущества корпуса µDFN-6 объясняются его тепловой структурой, усовершенствованной за счет теплоотводящей площадки, значительно уменьшающей тепловое сопротивление между кристаллом и печатной платой.

Руководство по тепловому расчету

Во всех вычислениях за значение T_A принималось лучшее возможное тепловое сопротивление, то есть тепловое сопротивление, достижимое при использовании рекомендуемой разводки печатной платы. Как уже было сказано ранее, топология печатной платы может оказывать огромное влияние на температурные характеристики устройства и, следовательно, приложения в целом. Разработчики, использующие микросхемы DC/DC преобразователей, должны обращаться к технической документации на выбранный элемент, для того чтобы быть уверенными в достижимости ожидаемых характеристик преобразователя в своих разработках.

Температурные характеристики могут быть оптимизированы применением таких средств как теплорассеивающие переходные отверстия, увеличенная ширина дорожек, создание тепловых соединений с «земляными» или питающими слоями печатной платы, или использованием материалов с улучшенным тепловыми свойствами, таких как печатные платы с изолированной металлической подложкой. В руководстве по разводке печатной платы для NCP1529 рекомендуется расширять трассы цепей питания и добавлять несколько переходных отверстий, создающих тепловое соединение со слоем питания.
Кроме того, в нем советуется соединять «земляные» выводы микросхемы на верхнем слое печатной платы. Верхний, нижний и «земляной» слои должны быть соединены с использованием сквозных переходных отверстий, что увеличивает эффективную теплоотводящую поверхность. В случае использования корпуса µDFN-6 эти отверстия должны располагаться как можно ближе к металлической площадке корпуса, в идеале – под ней. Площадка µDFN-6 должна быть надежно припаяна к теплоотводящим проводникам печатной платы.

Разумеется, разработчик должен учитывать влияние топологии печатной платы на электрические характеристики преобразователя. Оптимальная разводка печатной платы должна включать в себя широкие трассы сильноточных цепей, а так же разделенные слои питания и «земли», повышающие устойчивость к шумам и стабильность цепи обратной связи преобразователя.

На рисунке 3 показана рекомендованная топология печатной платы для микросхемы NCP1529 в корпусе µDFN-6, учитывающая соображения по электрической и тепловой оптимизации. Красными стрелками изображены потоки тепловой энергии от корпуса к окружающему пространству.

Рисунок 3.	Рекомендуемая топология контактных площадок для микросхемы NCP1529 в корпусе µDFN-6, с учетом электрических и тепловых аспектов.

Для обеспечения высоких характеристик DC/DC преобразователей при ограниченных размерах современных мобильных приборов разработчики должны быть особенно внимательными к условиям работы устройства, рассеиванию им энергии, параметрам компонентов и тепловому расчету. Новейшие малогабаритные корпуса с улучшенными тепловыми характеристиками позволяют повысить теплоотдачу по сравнению с большинством распространенных типов корпусов. Использование их совместно с передовыми методами теплового расчета на уровне платы позволит разработчикам портативных устройств делать сильноточные устройства надежными и компактными.