熱管理:突破功率密度障礙的3種方法

幾乎每個(gè)應(yīng)用中的半導(dǎo)體數(shù)量都在成倍增加，電子工程師面臨的諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都?xì)w結(jié)于需要更高的功率密度。例如下面這幾類應(yīng)用：

●   超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：機(jī)架式服務(wù)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(zhǎng)的電力需求。

●   電動(dòng)汽車：從內(nèi)燃機(jī)到 800V 電池包的過渡會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力總成的半導(dǎo)體組件數(shù)量呈指數(shù)增加。

●   商業(yè)和家庭安防應(yīng)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(duì)必要的散熱解決方案增加了約束。

實(shí)現(xiàn)更高功率密度的障礙是什么？實(shí)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(jí)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(gè)步驟中進(jìn)行關(guān)鍵的微調(diào)，以便設(shè)計(jì)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(jí)功率密度障礙的三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

1.工藝技術(shù)創(chuàng)新

許多全球半導(dǎo)體制造商都在競(jìng)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(diǎn)在業(yè)界通用封裝中實(shí)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(duì)成本、性能、功率、精度和電壓電平進(jìn)行優(yōu)化的產(chǎn)品。我們的工藝技術(shù)進(jìn)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的特定導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RSP) 或漏源導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RDS(on))，可以更大限度地減小芯片尺寸，同時(shí)提高熱性能。氮化鎵 (GaN) 或碳化硅等其他半導(dǎo)體開關(guān)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(diǎn)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(jiǎn)易封裝是否實(shí)現(xiàn)這種類型的性能，我會(huì)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(dá)6A的連續(xù)電流

2.電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在提高功率密度方面也發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)人員歷來使用分立式熱插拔控制器來保護(hù)大電流企業(yè)應(yīng)用。這些元件可以提供可靠的保護(hù)功能，但隨著終端設(shè)備制造商（和消費(fèi)者）需要更大的電流能力，分立式電源設(shè)計(jì)可能會(huì)變得過大，尤其是對(duì)于服務(wù)器電源單元 (PSU) 等通常需要 300A 或更高電流的應(yīng)用。

TPS25985 電子保險(xiǎn)絲將集成式 0.59mΩ FET 與電流檢測(cè)放大器搭配使用。這個(gè)放大器，加上一種新的有源電流共享方法，可讓您輕松進(jìn)行溫度監(jiān)控。通過結(jié)合使用高效的開關(guān)與創(chuàng)新的集成方法，TPS25985 可以提供高達(dá) 70A 的峰值電流，并且您可以輕松堆疊多個(gè)電子保險(xiǎn)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(xiàng)基本要求，但現(xiàn)實(shí)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(qiáng)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(shí)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(gè)導(dǎo)熱墊，所有信號(hào)和電源引腳均分布在外圍，便于布局和處理

要了解有關(guān)這些封裝演變的更多信息，請(qǐng)參閱模擬設(shè)計(jì)期刊文章，“采用小型直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)：HotRod QFN 與增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝”。

系統(tǒng)級(jí)散熱解決方案

對(duì)于服務(wù)器 PSU 等大功率應(yīng)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(qū)動(dòng)器和保護(hù)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(shè)計(jì)的“隔離式直流/直流”部分，該設(shè)計(jì)利用 LMG3522 實(shí)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(shè)計(jì)

當(dāng)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(xiàng)。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(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，才能在降低熱影響的同時(shí)保持高性能。在 TI，我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)工程師、封裝研發(fā)和制造團(tuán)隊(duì)都密切關(guān)注散熱問題，從而在不影響熱性能的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。