15A μModule稳压器通过将12V高效转换为1V来解决热问题

硅工艺技术的进步继续将微处理器、FPGA和ASIC的晶体管几何形状降低到历史水平。为这些大型复杂数字设备供电所需的电源电压水平也在不断缩小，从而带来了独特的电源设计挑战。

一个主要问题是功率稳压器在低输出电压下的转换效率。例如，典型的高效率开关稳压器在15A时将12V转换为3.3V，其转换效率为~93%。出于实际目的，由于I2R 损失。因此，处理49.5W负载的效率为93%，相当于3.72W的损耗。

同样，15A 时输出电压要求低至 1V，效率为 76%，则功耗为 4.74W。由于功率级的尺寸限制，典型的高密度电源解决方案面临着在低输出电压下实现高效率的挑战。功率级必须具有高性能功率MOSFET和电感器，以提高低压转换效率，而不仅仅是增加解决方案尺寸。

实际上，许多功能丰富的数字设备对低压电源的电流要求在>30A范围内。因此，对于30A负载，效率为76%的1V输出将产生9.48W的损耗，这肯定会带来热挑战。散热问题会随着系统主板上所需的 30A 稳压器数量而增加。

未经检查的稳压器功率损耗，加上其他系统功率损耗，会造成严重的热挑战。一个问题是小尺寸ASIC或FPGA漏电流会随着系统温度的增加而上升，从而影响系统性能和可靠性。

一种可能的解决方案是使用功率转换器模块，该模块可以提供明显高于应用所需的输出功率，并在输出电流点运行，从而最大限度地提高效率。当然，在空间受限的系统中，过大的解决方案是不可行的，并且该解决方案的电流限制远高于所需的电流。

另一种解决方案是使用针对低输出电压效率进行优化的分立式电源转换器。但同样，空间限制和组件采购可能具有挑战性。分立式设计的另一个挑战是如何有效地冷却它并散热器具有不同高度的各种分立式电源组件。

μ模块解决方案

图 1 示出了一款完整的 1.0V/15A 转换器，该转换器采用采用 15mm × 15mm × 4.32mm 封装的 LTM4627 μModule 稳压器。LTM4627 集成了高性能电源路径和控制电路，从而将设计简化为几个外部大容量电容器和几个小电阻器。

图1.一个完整的 1V/15A 转换器只需要围绕 LTM4627 μModule 稳压器周围的几个组件，该稳压器采用耐热性能增强型 15mm × 15mm × 4.32mm 封装。

LTM4627 的特性包括全差分远端检测、输出电压跟踪和软起动、利用突发模式操作或脉冲跳跃功能在轻负载条件下的高效率、电压监视和频率同步。LTM4627 采用一种电流模式架构，该架构使多个 μModule 稳压器能够并联运行 （图 5），通过准确的电流限值控制分担负载以增加输出电流。

LTM4627 μModule 稳压器专为高效率转换为低输出电压而优化 — 采用一个完整的转换器封装在一个小型、耐热性能增强的外形尺寸中。输入电压范围为 4.5V 至 20V，输出电压编程范围为 0.8V 至 5V。图2显示了5V、8V和12V输入下1V/15A的效率为82%至83%。与典型（和更大）解决方案相比，效率提高了6%至7%，或者在小尺寸中功率损耗提高了1.68W。

图2.稳压器的效率如图1所示。

图 3 示出了 LTM4627 在 12V 至 1V/15A 时的热图，无气流或散热。在65°C时，温升比25°C环境温度高~40°C。 ~3W的功率损耗乘以数据手册中指定的θ贾13°C/W 的热阻与热图中 40°C 的上升相匹配。

图3.LTM4627 在 15A 电流下将 12V 转换为 1V 且无强制通风或散热器的热图。

LTM4627 封装具有一个高导热基板，其布局经过热建模，旨在增强热性能和均匀的散热。虽然封装很小，但它为PCB（和散热器）提供了足够的表面积，以最大限度地降低解决方案的整体热阻。

图 4 示出了 LTM4627 的 12V 至 1V 降额曲线。LTM4627 能够以非常小的外形尺寸在较高的环境温度下工作，并具有满载能力。

图4.LTM4627 的降额曲线将 12V 转换为 1V。

图 5 示出了一款采用两个并联 LTM4627 μModule 稳压器的 2 相、30A 设计，这两个稳压器采用来自 LTC6908-1 的时钟信号进行 180° 错相时钟。

图5.一种基于两个并联 LTM4627 μModule 稳压器的 2 相、30A 设计，时钟错相为 180°。如需更高的输出电流，只需添加更多 LTM4627。

均流在稳态直流负载和动态瞬变期间均流均能很好地平衡。精确的远端采样放大器在负载点产生出色的电压精度。要获得更高的输出电流，只需添加更多 LTM4627 即可。

结论

LTM4627 μModule 稳压器是一款高性能多功能 DC/DC 转换器，可用于许多需要在宽输出电压范围内实现高效率的应用。非常小的外形尺寸和易用性使 LTM4627 非常适合于空间受限的设计。

审核编辑：郭婷