眾所周知，長時間暴露在高工作溫度下是電子元件的最大敵人之一，它會加速半導(dǎo)體的故障并促進(jìn)其他磨損機制，例如濕電解電容器的干燥。根據(jù)經(jīng)驗法則，工作溫度每升高 10°C，預(yù)期壽命就會減少約 50%。相反，將溫度降低 10°C 可以使預(yù)期的可靠性提高一倍。??

轉(zhuǎn)換過程中效率低下導(dǎo)致的內(nèi)部散熱是導(dǎo)致工作溫度過高的主要原因。實際上，設(shè)備操作員為低效的功率轉(zhuǎn)換付出了兩倍的代價：消耗的每一瓦特都是必須冷卻的另一瓦特，因此隨著總系統(tǒng)功率消耗的增加，需要額外的空調(diào)或冷卻能力來將環(huán)境溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。顯然，提高能源效率可以通過減少對系統(tǒng)冷卻的需求來提高可靠性并降低運營成本。 ?

然而，功率轉(zhuǎn)換器的另一個品質(zhì)因數(shù)是電流密度。對于給定的額定功率，更高的電流密度意味著更小的設(shè)備，這最終允許系統(tǒng)設(shè)計人員將更多昂貴的電路板空間用于增加功能的創(chuàng)收設(shè)備，例如處理器、ASIC 或 FPGA。此外，特別是小型 PoL 轉(zhuǎn)換器可以放置在更靠近板上主 IC 的電源引腳的位置，以獲得最佳的瞬態(tài)性能。 ?

理想的特性是轉(zhuǎn)換器同時更小、更節(jié)能并具有出色的散熱性能。有效處理熱量對于最大化電流密度或功率處理能力至關(guān)重要。一個很好的類比是考慮兩個身高、體重和體能相同的跑步者在炎熱的條件下跑步，例如在亞利桑那沙漠??的正午。唯一的區(qū)別是，一個人穿著合適的輕便跑步裝備，而另一個人則穿著能防止熱量離開身體的保暖裝備。在紙面上，兩者都可以達(dá)到相同的性能。但是第二名跑步者將無法像第一名那樣有效地散發(fā)身體產(chǎn)生的熱量，并且很快將無法繼續(xù)跑步。 ?

數(shù)字化解決難題

數(shù)字技術(shù)可以幫助克服電源轉(zhuǎn)換面臨的挑戰(zhàn)。例如，數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以更小，因為它們比傳統(tǒng)的模擬轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫枰俚慕M件。組件數(shù)量的減少也有助于提高可靠性。在數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓的檢測方式與模擬設(shè)計相同，但沒有誤差放大器。相反，感測電壓由 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，數(shù)字化值輸入到微控制器上的控制算法。隨著操作條件的變化，可以使用各種算法來優(yōu)化性能。圖 1 說明了數(shù)字轉(zhuǎn)換器的主要功能塊。

圖 1：數(shù)字電源轉(zhuǎn)換簡化了電路設(shè)計并減少了元件數(shù)量。

愛立信 3E 單相 PoL 等轉(zhuǎn)換器采用先進(jìn)的能量優(yōu)化算法，可提高整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率。此外，由于具有特定的輸入電壓、輸出電壓和容性負(fù)載，這些轉(zhuǎn)換器允許優(yōu)化控制回路以實現(xiàn)穩(wěn)健和穩(wěn)定的操作，并具有改進(jìn)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。這種優(yōu)化最大限度地減少了實現(xiàn)給定負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)所需的輸出去耦電容器的數(shù)量，優(yōu)化了成本并最大限度地減少了電路板空間。這有效地簡化了硬件設(shè)計，減小了整體模塊尺寸，并有助于提高可靠性。圖 2 顯示了數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)如何使設(shè)計人員能夠在輕負(fù)載下提高效率，而傳統(tǒng)的模擬轉(zhuǎn)換器通常效率較低。

圖 2：數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器可以在輕負(fù)載下提供顯著更高的效率。

3E PoL 的其他有助于提高效率的方面包括最新一代功率 MOSFET，它具有低內(nèi)部電容和最佳導(dǎo)通電阻 x 柵極電荷品質(zhì)因數(shù) (R DS(ON) ?x Q g )，可最大限度地減少傳導(dǎo)和開關(guān)隨時損失。 ?

該系列中最新的轉(zhuǎn)換器 BMR466 可提供高達(dá) 60A 的電流，并已證明在半負(fù)載下以 5V 輸入和 1.8V 輸出實現(xiàn) 94.4% 的效率。BMR466 的 MTBF 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Telcordia 方法計算為 5000 萬小時。 ?

可以連接多達(dá) 8 個 BMR466，讓設(shè)計人員在為 60 A 和 480 A 之間的應(yīng)用供電時可以依靠單個部件號。還可以將兩個或多個 BMR466 與外部時鐘同步以啟用相位擴(kuò)展，這有助于降低輸入紋波電流，因此有效地降低了電容要求和效率損失。 ?

先進(jìn)的熱性能

BMR466 的內(nèi)部設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化以實現(xiàn)低封裝外形。其 0.276 英寸（7 毫米）的高度最大限度地減少了對整個電路板冷卻氣流的干擾。此外，LGA 封裝的焊盤分布提供了出色的熱性能，使模塊能夠非常有效地散熱，同時受益于 0.98 x 0.55 英寸（14 x 25 毫米）的極其緊湊的占位面積。LGA 觸點對稱放置，以確保出色的機械接觸和焊接后的高可靠性。在內(nèi)部，封裝技術(shù)消除了連接引線及其相關(guān)電感，并且大量 LGA 觸點是接地引腳。這些特性共同確保了出色的噪聲和 EMI 特性。

提高熱性能是最小化熱降額的關(guān)鍵，在不犧牲可靠性的情況下允許更高的輸出電流。圖 3 顯示了 BMR466 的熱降額曲線，輸出電壓為 1.0 V，在 70°C 的環(huán)境溫度下僅通過自然對流冷卻即可提供最大 60 A 的電流。對于 85°C 的環(huán)境空氣溫度，轉(zhuǎn)換器可以通過自然對流提供 48 A 的冷卻電流，或在 1.0 m/s 的氣流下提供 55 A 的電流。

圖 3：具有 1.0V 輸出的 BMR466 PoL 轉(zhuǎn)換器的熱降額。

BMR466 的降額電流能力與具有兩倍以上表面積和近四倍體積的競爭 PoL 相當(dāng)，盡管它們具有更高的最大額定電流?？紤]競爭性 80-A PoL 的降額曲線，如圖 4 所示，該曲線表明，對于 70°C 的環(huán)境空氣溫度和 1.0 -V 輸出。雖然這款競爭轉(zhuǎn)換器可以在 85°C 的環(huán)境溫度下以 1.0 米/秒的氣流提供高達(dá) 60 A 的電流，但這僅略高于在相同條件下運行的 BMR466 提供的 55 A 電流，盡管 BMR466 明顯更小.?

圖 4：具有 1.0-V 輸出的替代 80-A PoL 的熱降額曲線。

較大的 80-A PoL 的電流密度略高于 BMR466 的三分之一?？紤]到用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等應(yīng)用程序的單個計算板可能需要多個（有時是 10 個或更多）大電流 PoL，在不降低最大電流或降低可靠性的情況下，可以實現(xiàn)的累積空間節(jié)省是顯著的，并且有價值的。

此外，數(shù)字轉(zhuǎn)換器可通過愛立信電源設(shè)計軟件等 GUI 進(jìn)行配置，以確保最佳效率和性能、最低 BOM 成本和優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。該工具使系統(tǒng)架構(gòu)師能夠控制參數(shù)，例如輸入和輸出欠壓/過壓、輸出過流/欠流限制和過溫/欠溫的開關(guān)頻率和閾值設(shè)置，以確保在一定范圍內(nèi)的最佳效率運行條件。此外，使用相位擴(kuò)展，可以顯著降低輸入紋波電流，從而降低輸入電容要求和效率損失。
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審核編輯：湯梓紅