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)模數據中心：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：從內燃機到 800V 電池包的過渡會導致動力總成的半導體組件數量呈指數增加。

商業(yè)和家庭安防應用：隨著可視門鈴和互聯(lián)網協(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，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。

1.工藝技術創(chuàng)新

許多全球半導體制造商都在競相提供電源管理產品，這些產品利用工藝技術節(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，利用內部技術開發(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)化的產品。我們的工藝技術進步也幫助我們創(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，這已經成為了可能。這就是工藝技術的魅力。

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

2.電路設計技術

除了在工藝技術層面提高效率之外，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 0.59mΩ FET 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。

3.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 最近增強了其 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、36V TLVM13660 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-Q1 GaN FET 在頂部冷卻封裝中集成了柵極驅動器和保護功能。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。

結語

只有采用多方面的工藝和封裝技術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。