简介
DC/DC 变换器的典型参数中包括了额定电流以及取决于 PCB 尺寸和 IC 热阻的最大可能环境温度(TA)。本文将在小型双层 PCB (60mmx40mm)上对 MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件的热行为进行比较。
采用双层布局
PCB板的层数取决于所计划的生产成本和 PCB 尺寸，通常都为两层PCB。在双层汽车 PCB 设计中，需审慎进行直流开关电源的组件布局，以满足汽车 EMC 和热规范。
比较方案
本文将比较测试双层布局极为相似的MPS MPQ4326-AEC1 和一个6A额定电流传统器件（见图 1）。尽管两个器件各自具有独特的组件位置，但通过其相似的多边形布局和通孔位置，仍然可以比较其散热性能和效率（见图 2 和图 3）。
图 1 显示了 MPQ4326-AEC1 的典型应用原理图，它与传统 6A 器件极为相似。
图1: MPQ4326-AEC1典型应用原理图
两款 IC都采用了相同的外部元件封装尺寸和布局，因此可以实现效率和散热性能真正的1：1比较。部分不同的 IC 特有数据包括反馈、开关频率电阻和引脚排布细节等。
图 2 显示了MPQ4326-AEC1 的 PCB 组件布局。
图 2：MPQ4326-AEC1 的双层 PCB (60mmx40mm) 组件布局
图 3 显示了传统 6A 器件的 PCB 组件布局。
图 3：传统 6A 器件的双层 PCB (60mmx40mm) 组件布局
两款器件的底层PCB上都具有公共 GND 平面，以及35μm 覆铜厚度和1.55mm标准 FR-4 环氧树脂层间距。采用可选铂电阻温度检测器 (RTD) 可测量 PCB 温度。
效率测量
效率是 DC/DC 变换器的输出功率 (POUT)与输入功率 (PIN) 之间的电功率商，它由器件特定参数、应用特定参数以及PCB特定参数决定，下面将对此进行详细描述：
器件特定参数
- 上管和下管MOSFET（分别为 HS-FET 和 LS-FET）的通道导通电阻 (RDS(ON))
- 硅裸片与焊盘之间的机械接触电阻
- 决定 MOSFET 导通/关断速度的上升和下降时间
- 内部电路功耗（例如栅极驱动器和逻辑电路）
- 结温 (TJ)
应用特定参数
- 输入电压 (VIN) 和输出电压 (VOUT)
- 开关频率 (fSW)
- 负载电流 (ILOAD)
- 对流和环境温度 (TAIR)
应用特定参数
- 由布局走线、多边形、通孔和开关电感大小形成的散热器，会对 TJ产生影响
- 开关电感的功耗 (PIND)，常见的效率测量方法都将 PIND 视为DC/DC变换器的附加损耗
为了对两个 DC/DC 变换器进行恰当的1：1效率比较，应用参数和 PCB 参数必须相同。图 4为两款 PCB 的比较。
图 4：MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件的双层 PCB 比较
测试装置
图 5 显示了效率和热图像的测量装置。两款PCB采用相同的电源来驱动，电源和负载线的长度也相同。采用四线技术测量电流和电压，可以得到效率；其中 VIN 的测量点位于电解电容上，VOUT的测量点位于输出 MLCC 上。
图 5：效率和红外热图像的测试装置
每款 PCB 都可单独加载可调恒流。红外热像仪能够同时记录两款 PCB 的温度曲线。PCB 在相同的条件下运行，具有相似的表面积、电缆和气流，因此相对环境温度的散热情况也相同。
MPQ4326-AEC1 采用 QFN-14 (4mmx4mm) 封装，具有额定 ILOAD = 6A，在 JESD51-7 热测试 PCB 上的结至环境热阻 θJA = 46.7°C/W ；传统 6A 器件采用 QFN-14 (3.5mmx4mm) 封装，具有额定 ILOAD = 6A ，在 JESD51-7 热测试 PCB 上的 θJA > 46.7°C/W。
当器件焊接在 JEDEC JESD51-7 测试 PCB 上时，通过 θJA 可以对其从芯片温度到环境温度的热流进行 1:1 的比较。 θJA 越小越能改善从 PCB 上的 IC 封装到环境温度的热流。
效率曲线比较
图 6 显示了 MPQ4326-AEC1 的效率和总功耗曲线。橙线为 8V VIN ，红线为 12V VIN，绿线为 18V VIN，蓝线为 26V VIN。
图 6：双层 PCB 上的 MPQ4326-AEC1 效率和总功耗曲线
图 7 显示了传统 6A 器件的效率和总功耗曲线。与图 6 类似，橙线为 8V VIN ，红线为 12V VIN，绿线为 18V VIN，蓝线为 26V VIN。
图 7：双层 PCB 上的传统 6A 器件效率和总功耗曲线
在相同的应用和 PCB 条件下，MPQ4326-AEC1 实现了更高的效率和更低的总功耗。由此可见，MPQ4326-AEC1 在大负载电流下的优势显著。
TPACKAGE = 150°C 时最大负载电流与输入电压的关系
图 8 显示了在扫描 VIN 时，IC 顶部封装温度 (TPACKAGE) 保持在恒定的 150°C 时可实现的最大 ILOAD (ILOAD_MAX)。蓝线代表 MPQ4326-AEC1，红线代表传统 6A 器件。
图8: TPACKAGE = 150°C 时的最大负载电流
与传统6A 器件相比，MPQ4326-AEC1 在相同条件和 TPACKAGE下，ILOAD 高出1A。
VIN = 13.5V 时封装温度与负载电流的关系
图9显示了扫描 ILOAD得到的 TPACKAGE其中蓝线代表MPQ4326-AEC1，红线代表传统6A器件。
图 9：VIN = 13.5V 时封装温度与负载电流的关系
当 ILOAD = 5.5A 时，MPQ4326-AEC1 的 TJ 比传统 6A 器件低 25°C，优势非常明显。而且，每个测量点都保持了30分钟以确保测试条件的稳定。
TPACKAGE = 150°C 时基于最大负载电流和输入电压的热图像比较
图 10 显示了两款PCB 的红外图像，当 TPACKAGE达到 150°C 时，两款 PCB 具有不同的 ILOAD_MAX 热图像获取条件为： VIN = 26V, VOUT = 5V, TAIR = 23°C, fSW = 2MHz, 和 tSETTLED = 30min。将两款 PCB 的 ILOAD都调至最大值，直到两款 PCB 的 TPACKAGE 都达到 150°C。如左侧图所示，MPQ4326-AEC1的 ILOAD_MAX = 5.4A 且 POUT = 27W；如右侧图所示，传统 6A 器件的 ILOAD_MAX = 4.4A 且POUT = 22W.
图 10：MPQ4326-AEC1 与传统 6A 器件在 TPACKAGE = 150°C 和不同 ILOAD_MAX 值下的比较
在相同条件下，MPQ4326-AEC1的输出电流要高出1A。由于具有较高 POUT 和较高输入电流，MPQ4326-AEC1 的 PCB（左图）温度稍高。同时两款 PCB 具有相同的 TPACKAGE，这表明 MPQ4326-AEC1 封装提高了效率，并降低了从硅片到环境温度的 θJA （主要在焊盘中）。
VIN = 13.5V 时基于封装温度和负载电流的热图像比较
图 11 显示了扫描两款PCB 的 ILOAD，得到的 TPACKAGE红外图像。热图像获取条件为： ILOAD = 5.5A, POUT = 27.5W, VIN = 13.5V, VOUT = 5V, TAIR = 23°C, fSW = 2MHz, 和 tSETTLED = 30min。将两款 PCB 的 ILOAD 都调至最大值，直到其中一款 PCB 的 TPACKAGE 达到 150°C。如左侧图所示，MPQ4326-AEC1的 TPACKAGE = 129°C；如右侧图所示，传统 6A 器件的 TPACKAGE = 154°C。
图 11：MPQ4326-AEC1 与传统6A 器件在相同 ILOAD下的 TPACKAGE 比较
在相同条件下，MPQ4326-AEC1 的 TPACKAGE 比传统 6A 器件低 25°C。传统 6A 器件在 ILOAD = 5.5A ， TPACKAGE 达到 154°C 时停止测量，这样可以防止 TPACKAGE 进一步增加并导致过温关断。
总结
本文对 MPQ4326-AEC1 和传统 6A 器件（额定 ILOAD 为 6A）进行了比较测量。在小型、低成本 的PCB 上可以实现指定的额定电流，但 TPACKAGE 和 ILOAD_MAX. 存在差异。从效率、最大负载电流、封装温度和散热等多个角度来看，MPQ4326-AEC1 都展示出效率与总功耗方面的关键优势。
当在较高 TA 值下运行时，需要调整 PCB 的尺寸和技术，因为双层 (60mmx40mm) PCB 的热流动不足。此外，1:1 对比测试表明，6A DC/DC 变换器无法恒定地提供 6A ILOAD，具体取决于 PCB 的热流能力、封装热阻以及效率。
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