設計高效和精巧DC/DC轉換器，得由一群對轉換設計所涉及的物理學和相關數學知識有著深入瞭解、同時兼具一定程度實務經驗的工程師負責實行。對於博多圖、麥克斯韋方程組的深刻理解以及針對極點和零點的關注，融入了精緻的DC/DC轉換器設計中。然而，IC設計者通常避開了對令人擔憂之熱問題的處置，而這項工作常常落在封裝工程師的身上。
對於負載點轉換器而言，熱量是個大問題，這類轉換器空間緊湊，容納了很多需要小心對待的IC。POL穩壓器之所以產生熱量，是因為還沒有電壓轉換效率能達到100%。結構、布局和熱阻能使封裝發熱到什麼程度？封裝的熱阻不僅使POL穩壓器的溫度升高，還使PCB及周圍元件的溫度升高，因此增加了系統散熱方案的複雜性、尺寸和成本。
減少PCB上DC/DC轉換器封裝熱量的方法，主要有二：
．透過PCB散熱
如果轉換器IC能夠表面黏著，那麼PCB中能傳導熱量的銅質通孔和銅箔層可以從封裝底部散出熱量。如果封裝至PCB的熱阻夠低，那麼用此種方法就能夠充分散熱。
．增加空氣流動
冷氣流可以為封裝散熱 (或者更準確地說，熱量傳遞到了與封裝表面接觸和溫度更低且快速運動的空氣分子中)。
當然，被動和主動散熱方法是存在的，為方便討論起見，我們將被動和主動散熱方法均歸為上述第二種方法的子集。
當面對元件溫度上升問題時，PCB設計者可以在一些標準散熱方法中尋找常用方法：使用更多的銅、散熱片或更大、更快的風扇，或者只是更大的空間，即增加PCB空間和PCB上元件之間的距離，或加厚PCB層。
上述任一方法都可用來在PCB上使系統保持在安全溫度限度內，但是採用這些方法可能會降低最終產品的市場競爭優勢。最終產品(例如路由器)也許因此需要更大的外殼，以容許在PCB上進行必要的元件分隔，或者也許因為增加更快速的風扇以增強空氣流動，而使雜訊變得相對較大。在各公司憑藉精小、運算能力、資料傳輸速率、效率和成本優勢參與競爭的市場上，這就可能使最終產品略遜一籌。
要圍繞大功率POL穩壓器實現成功的熱管理，需要選擇恰當的穩壓器，這需要進行細緻的調查研究。本文將說明如何選擇穩壓器，以簡化電路板設計者的工作。
功率密度不是POL穩壓器的唯一指標
若干市場因素導致需要改良電子設備的熱性能。最顯然的是：即使產品尺寸縮小，性能卻不斷提升。例如28nm、20nm和低於20nm的數位元件消耗更大的功率，以提高性能，因為創新設備的設計者運用尺寸更小的製程製造速度更快、更小巧、雜訊更低和效率更高的元件。從這種趨勢可以得出明顯的結論，POL穩壓器必須提高功率密度，亦即功率與體積或面積的比值。
在有關穩壓器的文獻中，功率密度常常出現在性能規格的標題中，這並不意外。出色的功率密度能夠使穩壓器脫穎而出，當設計者在大量可用穩壓器之中進行選擇時，如此的功率密度成為可引用的規格參數。一個40W/cm2的穩壓器一定優於一個30W/cm2的穩壓器。
產品設計者要想在空間更加擁擠的情況下提供更大的功率，出色的功率密度數字會首先閃現在腦海中，成為實現最快、最小、最安靜、最高效產品的顯然途徑，如同以馬力比較汽車性能一樣。
但是，在實現成功的最終設計時，功率密度有多重要？其實，功率密度的重要性比想像中低。一個POL穩壓器必須滿足其應用的需求。在選擇POL穩壓器時，必須確保其能夠在PCB上完成任務。在PCB上，熱管理是攸關應用成功或失敗的重要關鍵。
以下推薦的一步一步選擇POL穩壓器的過程就優先考慮熱性能：
1.忽視功率密度數字：功率密度規格忽視了熱降額問題，而熱降額對有效、真實的「功率密度」有相當大的影響。
2.查看穩壓器的熱降額曲線：一個詳細敘述、特徵完備的POL穩壓器應該有一些圖形，規定了在不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時的輸出電流。資料表中應該顯示POL穩壓器在真實工作條件下的輸出電流能力，以便按照其熱性能和負載電流能力判斷該穩壓器是否合適。其滿足系統的典型和最高環境溫度及氣流速度要求嗎？請記住，輸出電流降額與元件的熱性能有關。這兩點密切相關，同等重要。
3.考慮效率問題：效率不是第一個需要考慮的問題。當單獨考慮時，效率值可能不代表準確的DC/DC穩壓器熱特性。當然，在計算輸入電流和負載電流、輸入功耗、功耗及接面溫度時，需要效率數字。但是，效率值必須與輸出電流降額以及其他與元件及其封裝有關的熱量資料一起考慮。
例如，效率為98%的DC/DC降壓型轉換器是令人印象深刻的；當該轉換器還有出色的功率密度數位時，會令人印象更加深刻。你會購買這樣的穩壓器而不是效率較低、功率密度較低的穩壓器嗎？
一位有實際經驗的工程師會問一問看似不重要的2%效率損失的影響。在工作時，損失的功率怎樣轉換成封裝溫度上升？在60℃環境溫度、200LFM氣流時，高功率密度、高效率穩壓器的接面溫度是多少？看一看25℃室溫下的典型值以外的情況，例如在?40℃、85℃或125℃的極端溫度下測得的最大值和最小值是多少？在高功率密度時，封裝的熱阻上升很高以至於結溫急劇上升到超過安全工作溫度了嗎？一個效率令人印象深刻但是價格昂貴的穩壓器需要降額到什麼程度？降額的輸出電流值限制了輸出功率能力，以至於元件的高價格不再合理了嗎？
4.考慮POL穩壓器是否易於冷卻：產品數據中提供的封裝熱阻值是模擬和計算元件的接面溫度、環境溫度及外殼溫度上升的關鍵。因為表面黏著封裝中的大部分熱量是從封裝底部流向PCB的，所以產品數據中必須提供清楚的布局說明，並探討有關熱量測量的問題，以在產生系統原型時能將意外發生的情況降至最小。
一個設計良好的封裝應該均勻、高效地透過其表面散出熱量，消除會降低POL穩壓器可靠性的熱點。如上所述，PCB負責吸收和送出表面黏著POL穩壓器的大部分熱量。但是，在如今元件密集排列的複雜系統中，普遍採用了強制空氣流動，一個設計巧妙的POL穩壓器還應該利用這種「免費」的冷卻機會，消除MOSFET、電感器等發熱元件產生的熱量。
將熱量引導到封裝頂部 善用空氣散熱
大功率開關POL穩壓器依靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉換成穩定的輸出電壓。在非隔離式降壓POL穩壓器中，元件使用一個電感。該電感和MOSFET等伴隨性開關元件在DC/DC 轉換時產生熱量。
大約10年前，一種新的封裝技術進步使得包括磁性元件在內的整個DC/DC穩壓器電路可以設計成能夠放入模制塑膠封裝中，稱為模組或SiP，模制塑膠封裝內部產生的熱量大部分透過封裝底部送到PCB中。改良封裝散熱能力的任何傳統方法都會導致封裝增大，例如在表面黏著封裝頂部附著一個散熱片。
幾年前所開發出的創新性模組封裝方法，是利用可用氣流協助冷卻。這種封裝設計將一個散熱片整合到模組封裝中並完全模制化。在封裝內部，散熱片底部直接連至產生熱量的MOSFET和電感，而散熱片頂部是一個裸露於封裝頂部的平坦表面。這種新的封裝內散熱方法使元件能憑藉氣流快速冷卻。
以疊置電感器作為POL散熱片
POL穩壓器中的電感大小取決於電壓、開關頻率、需要處理的電流及其結構。在模組化構成方法中，包括電感在內的DC/DC電路完全模制並密封在一個塑膠封裝中，就像一顆IC一樣，相較於其他任何元件，電感對封裝的厚度、體積和重量的決定性都更大。電感也是一個重要的發熱源。
上述將散熱片整合成到封裝中的方法有助於將MOSFET和電感的熱量傳導到封裝頂部，之後可將熱量散到空氣、冷卻板或被動散熱片中。相對小型的小電流電感很容易裝入塑膠模制封裝中，這時這種方法很有效，但是當POL穩壓器使用較大型、較大電流的電感時，這種方法就不那麼有效了。這時，在封裝內部放置磁性元件，會迫使其他電路元件分隔得更遠，從而顯著擴大了封裝在PCB上的占板面積。
為了保持很小的占板面積，同時改善散熱，封裝工程師開發出了另一種巧妙的方法：垂直、疊置或3D(圖1)結構。
透過3D封裝，可以同時獲得很小的PCB占板面積、更大的功率和更佳的熱性能這三種優勢，是一種新的POL穩壓器構建方法。以凌力爾特的LTM4636 μModule穩壓器為例，這款微型模組內建DC/DC穩壓器IC、MOSFET、支援性電路和一個大型電感，以降低輸出漣波，並從12V 輸入向精準穩定的3.3V至0.6V輸出提供40A負載電流。4個並聯運行的LTM4636元件可均分電流，以提供160A負載電流，且封裝的占板面積僅為16mm×16mm。
裸露疊置電感器3D封裝兼顧散熱與功率密度
偏好用功率密度來判斷所有POL性能好壞的使用者，可以算出LTM4636的功率密度，得到的數字同樣令人印象深刻。但如同前文所述，功率密度數字沒有道出完整的故事。這種μModule 穩壓器還為系統設計者帶來了其他重要益處：令人印象深刻的DC/DC轉化器效率帶來的卓越熱性能和無與倫比的散熱能力。
為了將穩壓器的占板面積縮減至最小，該電感被升高了，並固定在兩個銅引線框架結構上，以便其他電路元件(二極體、電阻、MOSFET、電容、DC/DC晶片)可焊接到電感之下的襯底上。如果電感放置在襯底上，μModule穩壓器很容易就能占用超過1,225mm2的PCB面積，而不是256mm2占板面積(圖2)。
疊置電感器結構為系統設計者提供了精小的POL穩壓器，並額外提供了卓越的熱性能優勢。LTM4636中的疊置電感沒有像其餘零組件以塑膠完全密封。相反的，電感直接裸露於氣流中。電感外殼採用了圓角形狀，以改善空氣動力學特性(實現最小流阻)。
LTM4636是一款受益於3D封裝技術或組件級封裝(CoP)的40A μModule穩壓器，如圖1所示。封裝體是一個完全模制的16mm×16mm×1.91mm BGA封裝。LTM4636的電感疊置在模制封裝的頂部，從BGA焊球(總共144個)到電感頂部的總封裝高度為7.16mm。
除了從頂部散熱，LTM4636還可從封裝底部向PCB進行高效率散熱。該元件具有144個BGA焊球，成排專用於大電流流經的GND、VIN和VOUT。這些焊球的結合發揮了向PCB散熱的作用。LTM4636為從封裝頂部和底部散熱而進行了優化。
甚至在12V輸入/1V輸出的大轉換比，以及40A(40W)滿負載電流和標準200LFM氣流的情況下操作時，LTM4636的封裝溫度也僅上升至比環境溫度(25℃~26.5℃)高40℃。圖4顯示了LTM4636在這些條件下的熱影像。
圖5顯示了輸出電流熱降額結果。在200LFM的條件下，LTM4636在環境溫度高達83℃時，提供令人印象深刻的40A滿電流。20A半電流降額僅發生在110℃的過高環境溫度時。這樣一來，只要有一定的氣流可用，LTM4636便可以高容量運行。
圖6所示的高轉換效率主要是由高性能MOSFET和強大的LTM4636驅動器產生的。例如，一個12V輸入電源降壓DC/DC控制器，在3.3V、25A輸出時，效率為95%；在1.8V、40A輸出時，效率為93%的效率；在1V、40A輸出時，效率為88%。
利用並聯架構實現更大電流輸出
一個LTM4636可提供40A負載電流。兩個採用電流均分模式或並聯的LTM4636可支援80A 電流，而4個並聯的LTM4636則可支援160A電流。透過並聯LTM4636擴展電源是很容易的，只要簡單地複製和貼上單個穩壓器布局即可，如圖7所示。
LTM4636的電流模式架構在40A構件之間實現精準的電流均分。精準的電流均分又產生一個在元件之間均勻分散熱量的電源。圖8顯示，在4個μModule組成的160A穩壓器中，所有元件運行時相互之間的溫度差都在1℃之內，從而確保每個元件都不會過載或過熱。如此可大幅簡化散熱。
圖9顯示了160A設計的效率。請注意，LTM4636相互之間不同相運行無需時脈元件，時脈和相位控制已包含在元件中。多相運行降低了輸出和輸入漣波電流，減少了所需輸入和輸出電容數量。
元件密度日增 POL散熱性能不宜輕忽
當要為元件密集排列的系統選擇POL穩壓器時，所需的是嚴格審查元件電壓和電流額定值以外的規格參數。對封裝熱特性的評估是必不可少的，因為此一特性決定了冷卻成本、PCB成本和最終產品的大小。3D封裝技術的進步，允許大功率POL模組型穩壓器佔用很小的PCB面積，但更重要的是，這種先進封裝實現了高效率冷卻。對於習慣用功率密度來評價POL模組的使用者來說，模組的散熱性能經常會被忽視，但理想的散熱也是應用產品能否成功的關鍵。
