数字转换器先进的热性能设计

众所周知，长时间暴露在高工作温度下是电子元件的最大敌人之一，它会加速半导体的故障并促进其他磨损机制，例如湿电解电容器的干燥。根据经验法则，工作温度每升高 10°C，预期寿命就会减少约 50%。相反，将温度降低 10°C 可以使预期的可靠性提高一倍。  

转换过程中效率低下导致的内部散热是导致工作温度过高的主要原因。实际上，设备操作员为低效的功率转换付出了两倍的代价：消耗的每一瓦特都是必须冷却的另一瓦特，因此随着总系统功率消耗的增加，需要额外的空调或冷却能力来将环境温度保持在规定的范围内。显然，提高能源效率可以通过减少对系统冷却的需求来提高可靠性并降低运营成本。  

然而，功率转换器的另一个品质因数是电流密度。对于给定的额定功率，更高的电流密度意味着更小的设备，这最终允许系统设计人员将更多昂贵的电路板空间用于增加功能的创收设备，例如处理器、ASIC 或 FPGA。此外，特别是小型 PoL 转换器可以放置在更靠近板上主 IC 的电源引脚的位置，以获得最佳的瞬态性能。  

理想的特性是转换器同时更小、更节能并具有出色的散热性能。有效处理热量对于最大化电流密度或功率处理能力至关重要。一个很好的类比是考虑两个身高、体重和体能相同的跑步者在炎热的条件下跑步，例如在亚利桑那沙漠​​的正午。唯一的区别是，一个人穿着合适的轻便跑步装备，而另一个人则穿着能防止热量离开身体的保暖装备。在纸面上，两者都可以达到相同的性能。但是第二名跑步者将无法像第一名那样有效地散发身体产生的热量，并且很快将无法继续跑步。  

数字化解决难题

数字技术可以帮助克服电源转换面临的挑战。例如，数字转换器可以更小，因为它们比传统的模拟转换器拓扑需要更少的组件。组件数量的减少也有助于提高可靠性。在数字转换器中，输出电压的检测方式与模拟设计相同，但没有误差放大器。相反，感测电压由 A/D 转换器数字化，数字化值输入到微控制器上的控制算法。随着操作条件的变化，可以使用各种算法来优化性能。图 1 说明了数字转换器的主要功能块。

图 1：数字电源转换简化了电路设计并减少了元件数量。

爱立信 3E 单相 PoL 等转换器采用先进的能量优化算法，可提高整个负载范围内的效率。此外，由于具有特定的输入电压、输出电压和容性负载，这些转换器允许优化控制回路以实现稳健和稳定的操作，并具有改进的负载瞬态响应。这种优化最大限度地减少了实现给定负载瞬态响应所需的输出去耦电容器的数量，优化了成本并最大限度地减少了电路板空间。这有效地简化了硬件设计，减小了整体模块尺寸，并有助于提高可靠性。图 2 显示了数字转换器技术如何使设计人员能够在轻负载下提高效率，而传统的模拟转换器通常效率较低。

图 2：数字电源转换器可以在轻负载下提供显着更高的效率。

3E PoL 的其他有助于提高效率的方面包括最新一代功率 MOSFET，它具有低内部电容和最佳导通电阻 x 栅极电荷品质因数 (R DS(ON)  x Q g )，可最大限度地减少传导和开关随时损失。  

该系列中最新的转换器 BMR466 可提供高达 60A 的电流，并已证明在半负载下以 5V 输入和 1.8V 输出实现 94.4% 的效率。BMR466 的 MTBF 根据行业标准 Telcordia 方法计算为 5000 万小时。  

可以连接多达 8 个 BMR466，让设计人员在为 60 A 和 480 A 之间的应用供电时可以依靠单个部件号。还可以将两个或多个 BMR466 与外部时钟同步以启用相位扩展，这有助于降低输入纹波电流，因此有效地降低了电容要求和效率损失。  

先进的热性能

BMR466 的内部设计经过优化以实现低封装外形。其 0.276 英寸（7 毫米）的高度最大限度地减少了对整个电路板冷却气流的干扰。此外，LGA 封装的焊盘分布提供了出色的热性能，使模块能够非常有效地散热，同时受益于 0.98 x 0.55 英寸（14 x 25 毫米）的极其紧凑的占位面积。LGA 触点对称放置，以确保出色的机械接触和焊接后的高可靠性。在内部，封装技术消除了连接引线及其相关电感，并且大量 LGA 触点是接地引脚。这些特性共同确保了出色的噪声和 EMI 特性。

提高热性能是最小化热降额的关键，在不牺牲可靠性的情况下允许更高的输出电流。图 3 显示了 BMR466 的热降额曲线，输出电压为 1.0 V，在 70°C 的环境温度下仅通过自然对流冷却即可提供最大 60 A 的电流。对于 85°C 的环境空气温度，转换器可以通过自然对流提供 48 A 的冷却电流，或在 1.0 m/s 的气流下提供 55 A 的电流。

图 3：具有 1.0V 输出的 BMR466 PoL 转换器的热降额。

BMR466 的降额电流能力与具有两倍以上表面积和近四倍体积的竞争 PoL 相当，尽管它们具有更高的最大额定电流。考虑竞争性 80-A PoL 的降额曲线，如图 4 所示，该曲线表明，对于 70°C 的环境空气温度和 1.0 -V 输出。虽然这款竞争转换器可以在 85°C 的环境温度下以 1.0 米/秒的气流提供高达 60 A 的电流，但这仅略高于在相同条件下运行的 BMR466 提供的 55 A 电流，尽管 BMR466 明显更小. 

图 4：具有 1.0-V 输出的替代 80-A PoL 的热降额曲线。

较大的 80-A PoL 的电流密度略高于 BMR466 的三分之一。考虑到用于数据中心服务器等应用程序的单个计算板可能需要多个（有时是 10 个或更多）大电流 PoL，在不降低最大电流或降低可靠性的情况下，可以实现的累积空间节省是显着的，并且有价值的。

此外，数字转换器可通过爱立信电源设计软件等 GUI 进行配置，以确保最佳效率和性能、最低 BOM 成本和优化瞬态响应。该工具使系统架构师能够控制参数，例如输入和输出欠压/过压、输出过流/欠流限制和过温/欠温的开关频率和阈值设置，以确保在一定范围内的最佳效率运行条件。此外，使用相位扩展，可以显着降低输入纹波电流，从而降低输入电容要求和效率损失。
 

审核编辑：汤梓红