TI：提高功率密度 有效管理系統散熱問(wèn)題

幾乎各種應用的半導體數量都在加倍增加，電子工程師面臨的許多設計挑戰都與更高功率密度的需求息息相關(guān)。
 

TLVM13660 底部包括四個(gè)導熱墊，所有訊號和電源針腳均可從外圍使用，以便于配置和處理
?超大規模數據中心：機架式服務(wù)器使用大量的電力，這對于想要因應持續成長(cháng)需求的公用事業(yè)公司和電力工程師構成一大挑戰。
?電動(dòng)車(chē)：從內燃機到 800V 電池組的過(guò)渡伴隨著(zhù)動(dòng)力總成的半導體數量呈現指數型成長(cháng)趨勢。
?商業(yè)和家庭安全應用：隨著(zhù)視訊門(mén)鈴和網(wǎng)絡(luò )監控攝影機變得愈來(lái)愈普遍，這些裝置尺寸持續縮小形成對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(wú)法在系統等級使用濾波組件予以忽略或「優(yōu)化」。熱效應的緩解需要在開(kāi)發(fā)過(guò)程的每個(gè)步驟中進(jìn)行關(guān)鍵的微調，以便設計能夠滿(mǎn)足特定尺寸限制的系統要求。下列是 TI 專(zhuān)注于優(yōu)化熱性能和突破芯片級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
許多全球半導體制造商都競相提供電源管理產(chǎn)品，這些產(chǎn)品利用制程技術(shù)節點(diǎn)在業(yè)界標準封裝中提高性能。例如，TI 持續投資 45 和 65 奈米制程技術(shù)，利用我們的內部技術(shù)開(kāi)發(fā)以及 300 毫米制造效率，提供針對成本、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體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 的特定導通電阻 (RSP) 或導通阻抗(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體開(kāi)關(guān)也是如此。
以 TPS566242 降壓轉換器為例，新的制程節點(diǎn)透過(guò)整合功能和提供額外的接地連接來(lái)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 6 A 的輸出電流。如果是五年前問(wèn)，微型、簡(jiǎn)單的含鉛封裝是否能夠達到這種性能，大家會(huì )抱持懷疑的態(tài)度。不過(guò)這就是制程技術(shù)的美妙之處。
2.電路設計技術(shù)
除了在制程技術(shù)層面提高效率之外，創(chuàng )造性電路設計在提高功率密度方面也發(fā)揮重要作用。設計人員一直以來(lái)使用離散式熱插入控制器來(lái)保護高電流企業(yè)應用系統。做為保護功能，這些裝置相當可靠，不過(guò)隨著(zhù)終端裝置制造商 (和消費者) 需要更大的電流能力，離散式電源設計可能會(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 與電流檢測放大器配對。這個(gè)放大器可搭配新的主動(dòng)式電流共享方法，提供便于溫度監控的方法。透過(guò)將高效率開(kāi)關(guān)與創(chuàng )新整合方法相結合，TPS25985 可以供應高達 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) 或系統中的熱量是基本要求，不過(guò)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環(huán)境溫度升高時(shí)。TI 最近強化 HotRod 四方扁平無(wú)引線(xiàn) (QFN) 封裝的性能，其中包括更大的晶粒托盤(pán) (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。
系統級散熱解決方案
對于服務(wù)器 PSU 等大功率應用，具備頂部冷卻功能的 GaN 是相當有效的方法，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動(dòng)器和保護功能。使用小于 270-W/in3 功率密度的主動(dòng)箝位參考設計進(jìn)行設計的 3kW 相移全橋之中的隔離式 DC/DC 部分，其中利用 LMG3522 達到 97.74% 的峰值效率。
當然，考慮 PCB 中的層數或裝配過(guò)程和系統成本限制等變量，您可能想要擁有彈性的冷卻選項。在這些情況下，LMG3422R030 整合式 GaN FET 等底部冷卻 IC 可能更適合。
結論
只有透過(guò)多方面的制程和封裝技術(shù)以及電源設計專(zhuān)業(yè)知識，才能在降低熱影響的同時(shí)保持性能。TI 的產(chǎn)品設計師、系統工程師、封裝研發(fā)和制造團隊都相當關(guān)注這項挑戰，在沒(méi)有熱陷阱的情況下提高功率密度。