熱管理：突破功率密度障礙的3種方法

幾乎每個應用中的半導體數(shù)量都在成倍增加，電子工程師面臨的諸多設計挑戰(zhàn)都歸結(jié)于需要更高的功率密度。例如下面這幾類應用：

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：機架式服務器工作使用的功率讓人難以置信，這讓公用事業(yè)公司和電力工程師難以跟上不斷增長的電力需求。

電動汽車：從內(nèi)燃機到800V電池包的過渡會導致動力總成的半導體組件數(shù)量呈指數(shù)增加。

商業(yè)和家庭安防應用：隨著可視門鈴和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議攝像頭變得越來越普遍，它們的尺寸越來越小，這對必要的散熱解決方案增加了約束。

實現(xiàn)更高功率密度的障礙是什么？實際上，熱性能是電源管理集成電路(IC)在電氣方面的附加特性，既無法忽略也不能使用系統(tǒng)級過濾元件“優(yōu)化”。要緩解系統(tǒng)過熱問題，需要在開發(fā)過程的每個步驟中進行關鍵的微調(diào)，以便設計能夠滿足給定尺寸約束下的系統(tǒng)要求。以下是TI專注于優(yōu)化熱性能和突破芯片級功率密度障礙的三個關鍵領域。

工藝技術(shù)創(chuàng)新

許多全球半導體制造商都在競相提供電源管理產(chǎn)品，這些產(chǎn)品利用工藝技術(shù)節(jié)點在業(yè)界通用封裝中實現(xiàn)更高的性能。例如，TI持續(xù)投資45nm和65nm工藝技術(shù)，利用內(nèi)部技術(shù)開發(fā)以及300mm制造效能來提供針對成本、性能、功率、精度和電壓電平進行優(yōu)化的產(chǎn)品。我們的工藝技術(shù)進步也幫助我們創(chuàng)造出在各種熱條件下保持高性能的產(chǎn)品。例如，降低集成金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的特定導通狀態(tài)電阻(RSP)或漏源導通狀態(tài)電阻(RDS(on))，可以更大限度地減小芯片尺寸，同時提高熱性能。氮化鎵(GaN)或碳化硅等其他半導體開關也是如此。

以TPS566242降壓轉(zhuǎn)換器為例，如圖1中所示。新的工藝節(jié)點通過集成功能并提供額外的接地連接優(yōu)化了引腳布局，有助于在1.6mm x 1.6mm SOT-563封裝中提供6A輸出電流。如果您五年前問我微型引線式簡易封裝是否實現(xiàn)這種類型的性能，我會表示懷疑。但現(xiàn)在，這已經(jīng)成為了可能。這就是工藝技術(shù)的魅力。

圖1：TPS566242同步降壓轉(zhuǎn)換器可提供高達6A的連續(xù)電流

電路設計技術(shù)

除了在工藝技術(shù)層面提高效率之外，創(chuàng)造性的電路設計在提高功率密度方面也發(fā)揮著重要作用。設計人員歷來使用分立式熱插拔控制器來保護大電流企業(yè)應用。這些元件可以提供可靠的保護功能，但隨著終端設備制造商（和消費者）需要更大的電流能力，分立式電源設計可能會變得過大，尤其是對于服務器電源單元(PSU)等通常需要300A或更高電流的應用。

TPS25985電子保險絲將集成式0.59mΩFET與電流檢測放大器搭配使用。這個放大器，加上一種新的有源電流共享方法，可讓您輕松進行溫度監(jiān)控。通過結(jié)合使用高效的開關與創(chuàng)新的集成方法，TPS25985可以提供高達70A的峰值電流，并且您可以輕松堆疊多個電子保險絲，獲得更高的功率。

熱優(yōu)化封裝研發(fā)

盡管減少散發(fā)到印刷電路板(PCB)或系統(tǒng)中的熱量是一項基本要求，但現(xiàn)實情況是，過多的熱量仍然存在，尤其是在功率要求更高或系統(tǒng)環(huán)境溫度升高的情況下。TI增強了其HotRod Quad-Flat-No lead (QFN)封裝的性能，包含更大的裸片連接焊盤(DAP)，可實現(xiàn)更好的散熱。圖2顯示了6A、36VTLVM13660降壓電源模塊的總DAP面積和引腳易用性。

圖2：TLVM13660底部包括四個導熱墊，所有信號和電源引腳均分布在外圍，便于布局和處理

要了解有關這些封裝演變的更多信息，請參閱模擬設計期刊文章，“采用小型直流/直流轉(zhuǎn)換器進行設計：HotRod QFN 與增強型 HotRod QFN 封裝”。

系統(tǒng)級散熱解決方案

對于服務器PSU等大功率應用，具有頂部冷卻功能的GaN是一種非常有效的散熱方法，可以在不使PCB變熱的情況下去除IC中的熱量。LMG3522R030-Q1GaN FET 在頂部冷卻封裝中集成了柵極驅(qū)動器和保護功能。圖3顯示了具有有源鉗位、功率密度大于 270W/in3的 3kW 相移全橋參考設計的“隔離式直流/直流”部分，該設計利用LMG3522實現(xiàn)了97.74%的峰值效率。

圖3：具有有源鉗位的3kW相移全橋參考設計

當然，考慮到諸如PCB層數(shù)或組裝流程和系統(tǒng)成本限制等不同，您可能希望擁有靈活的冷卻選項。在這些情況下，LMG3422R030集成式GaN FET等底部冷卻IC可能更適用。

結(jié)語

只有采用多方面的工藝和封裝技術(shù)并具備電源設計專業(yè)知識，才能在降低熱影響的同時保持高性能。在TI，我們的產(chǎn)品設計人員、系統(tǒng)工程師、封裝研發(fā)和制造團隊都密切關注散熱問題，從而在不影響熱性能的情況下實現(xiàn)更高的功率密度。

審核編輯：郭婷