TI：提高功率密度 有效管理系統(tǒng)散熱問題

幾乎各種應(yīng)用的半導(dǎo)體數(shù)量都在加倍增加，電子工程師面臨的許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都與更高功率密度的需求息息相關(guān)。
 

TLVM13660 底部包括四個(gè)導(dǎo)熱墊，所有訊號(hào)和電源針腳均可從外圍使用，以便于配置和處理
?超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：機(jī)架式服務(wù)器使用大量的電力，這對(duì)于想要因應(yīng)持續(xù)成長(zhǎng)需求的公用事業(yè)公司和電力工程師構(gòu)成一大挑戰(zhàn)。
?電動(dòng)車：從內(nèi)燃機(jī)到 800V 電池組的過渡伴隨著動(dòng)力總成的半導(dǎo)體數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)型成長(zhǎng)趨勢(shì)。
?商業(yè)和家庭安全應(yīng)用：隨著視訊門鈴和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z影機(jī)變得愈來愈普遍，這些裝置尺寸持續(xù)縮小形成對(duì)必要的散熱解決方案的限制。
提高功率密度的障礙是什么？熱性能是電源管理整合電路 (IC) 的電氣副產(chǎn)品，您無法在系統(tǒng)等級(jí)使用濾波組件予以忽略或「優(yōu)化」。熱效應(yīng)的緩解需要在開發(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)能夠滿足特定尺寸限制的系統(tǒng)要求。下列是 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.制程技術(shù)創(chuàng)新
許多全球半導(dǎo)體制造商都競(jìng)相提供電源管理產(chǎn)品，這些產(chǎn)品利用制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝中提高性能。例如，TI 持續(xù)投資 45 和 65 奈米制程技術(shù)，利用我們的內(nèi)部技術(shù)開發(fā)以及 300 毫米制造效率，提供針對(duì)成本、性能、功率、精密度和電壓程度進(jìn)行優(yōu)化的產(chǎn)品。我們的制程技術(shù)進(jìn)展也有助于我們創(chuàng)造在各種熱條件下保持高性能的產(chǎn)品。例如，降低整合式金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的特定導(dǎo)通電阻 (RSP) 或?qū)ㄗ杩?RDS(on)) 可以盡可能縮小芯片尺寸，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，新的制程節(jié)點(diǎn)透過整合功能和提供額外的接地連接來優(yōu)化針腳配置，這種接地連接有助于從 1.6 毫 x 1.6 毫米小型晶體管 (SOT)-563 封裝供應(yīng) 6 A 的輸出電流。如果是五年前問，微型、簡(jiǎn)單的含鉛封裝是否能夠達(dá)到這種性能，大家會(huì)抱持懷疑的態(tài)度。不過這就是制程技術(shù)的美妙之處。
2.電路設(shè)計(jì)技術(shù)
除了在制程技術(shù)層面提高效率之外，創(chuàng)造性電路設(shè)計(jì)在提高功率密度方面也發(fā)揮重要作用。設(shè)計(jì)人員一直以來使用離散式熱插入控制器來保護(hù)高電流企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。做為保護(hù)功能，這些裝置相當(dāng)可靠，不過隨著終端裝置制造商 (和消費(fèi)者) 需要更大的電流能力，離散式電源設(shè)計(jì)可能會(huì)變得太大，尤其是服務(wù)器電源單元 (PSU) 等裝置通常需要 300 A 電流以上。
TPS25985 eFuse 將整合式 0.59mΩ FET 與電流檢測(cè)放大器配對(duì)。這個(gè)放大器可搭配新的主動(dòng)式電流共享方法，提供便于溫度監(jiān)控的方法。透過將高效率開關(guān)與創(chuàng)新整合方法相結(jié)合，TPS25985 可以供應(yīng)高達(dá) 70A 的峰值電流，而且您可以輕松堆棧多個(gè) eFuse 提高功率。
3.熱優(yōu)化封裝研發(fā)
雖然減少散發(fā)到印刷電路板 (PCB) 或系統(tǒng)中的熱量是基本要求，不過實(shí)際情況是不必要的熱量仍然存在，尤其是在電源要求或系統(tǒng)環(huán)境溫度升高時(shí)。TI 最近強(qiáng)化 HotRod 四方扁平無引線 (QFN) 封裝的性能，其中包括更大的晶粒托盤 (DAP)，有助于促進(jìn)散熱。圖 2 顯示 6A、36V TLVM13660 降壓電源模塊的 DAP 總面積和可用的針腳。
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，具備頂部冷卻功能的 GaN 是相當(dāng)有效的方法，可以在不加熱 PCB 的情況下從 IC 去除熱量。LMG3522R030-Q1 GaN FET 在頂部冷卻封裝中整合閘極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。使用小于 270-W/in3 功率密度的主動(dòng)箝位參考設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)的 3kW 相移全橋之中的隔離式 DC/DC 部分，其中利用 LMG3522 達(dá)到 97.74% 的峰值效率。
當(dāng)然，考慮 PCB 中的層數(shù)或裝配過程和系統(tǒng)成本限制等變量，您可能想要擁有彈性的冷卻選項(xiàng)。在這些情況下，LMG3422R030 整合式 GaN FET 等底部冷卻 IC 可能更適合。
結(jié)論
只有透過多方面的制程和封裝技術(shù)以及電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，才能在降低熱影響的同時(shí)保持性能。TI 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)工程師、封裝研發(fā)和制造團(tuán)隊(duì)都相當(dāng)關(guān)注這項(xiàng)挑戰(zhàn)，在沒有熱陷阱的情況下提高功率密度。