高溫IC設計必懂基礎知識：高溫設計的優(yōu)勢

隨著(zhù)技術(shù)的飛速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)及汽車(chē)等領(lǐng)域對耐高溫集成電路（IC）的需求持續攀升?。高溫環(huán)境會(huì )嚴重制約集成電路的性能、可靠性和安全性，亟需通過(guò)創(chuàng )新技術(shù)手段攻克相關(guān)技術(shù)難題?。

這份白皮書(shū)致力于探討高溫對集成電路的影響，并提供適用于高功率的設計技術(shù)以應對這些挑戰。我們陸續介紹了這些干貨知識：工作溫度，包括環(huán)境溫度和結溫等 。高結溫帶來(lái)的挑戰 。 IC的高溫設計原則 。本文將繼續介紹高溫設計的優(yōu)勢。

高溫設計的優(yōu)勢

能夠在高溫下工作的集成電路具有多種優(yōu)勢。它們可以在汽車(chē)和航空航天等環(huán)境溫度超過(guò) 150°C 的苛刻環(huán)境中可靠運行。這些設計通常非常穩健，包括溫度保護電路，不易發(fā)生熱失控和其他溫度引起的故障，從而提高了系統的整體可靠性。通過(guò)耐受更高的溫度，這些電路可以減少或消除對復雜冷卻系統的需求，從而提供更簡(jiǎn)單、更具成本效益的解決方案。

?熱管理

熱管理對電子系統的設計和運行至關(guān)重要，可確保性能和可靠性?？衫蒙崞?、液體冷卻和改善空氣流通等方法加強散熱來(lái)降低結溫。然而，這些方法也會(huì )增加電子模塊的重量、尺寸和成本。

在大功率應用中，如功率開(kāi)關(guān)和電動(dòng)引擎等部件需要主動(dòng)冷卻。使用標溫較高的冷卻劑可以減少對大型散熱器的需求，從而提高效率，但同時(shí)也要求元件能夠承受更高的溫度。碳化硅（SiC）功率開(kāi)關(guān)適用于這些條件。在高溫條件下工作并靠近功率晶體管安裝的預驅動(dòng)器是必不可少的，尤其是在汽車(chē)應用中，因為它們可以共享發(fā)動(dòng)機冷卻回路。無(wú)需特殊冷卻即可在較高環(huán)境溫度下工作的電路在各行各業(yè)都具有巨大的潛力。

電源管理對于傳感器等低功耗應用也至關(guān)重要，盡管這些應用的功率不高，但熱管理仍然具有挑戰性。這是因為傳感器尺寸超小、塑料外殼、無(wú)法添加散熱片等因素導致散熱不佳。額外的熱管理會(huì )大大增加電子模塊的成本、尺寸和重量。在這種情況下，從裸片到環(huán)境的熱阻可達每瓦幾十到幾百攝氏度。驅動(dòng)傳感器執行器和處理傳感器數據可能需要一定的功率，這會(huì )使裸片溫度比環(huán)境溫度高出幾十攝氏度。這就需要能夠承受高溫的 IC 來(lái)實(shí)現沒(méi)有這些熱管理措施的應用。

另一個(gè)例子是由汽車(chē)電池直接供電的車(chē)用 IC。這可能是 12V 電池，或越來(lái)越常見(jiàn)的 48V 電池。在電路內部，IC 信號處理的電壓可能僅需 1.2V，而從汽車(chē)電池到 IC 的線(xiàn)性穩壓器消耗了大部分功耗。對于小負載來(lái)說(shuō)，增加一個(gè)帶有外部線(xiàn)圈的 DC-DC 轉換器以提高效率既不實(shí)際也不經(jīng)濟。如果線(xiàn)性穩壓器可以在高溫下工作，則能夠節省模塊的成本和重量。

?過(guò)溫保護

過(guò)溫保護或熱關(guān)斷（Thermal Shutdown，TSD）對集成電路至關(guān)重要，可防止 IC 及其外部元件損壞，確?？煽啃院桶踩?。環(huán)境溫度過(guò)高、功耗過(guò)大、熱管理不善或故障導致過(guò)載等因素都可能觸發(fā)過(guò)溫保護。當 IC 的結溫超過(guò)預設閾值時(shí)，熱關(guān)斷機制就會(huì )啟動(dòng)，自動(dòng)關(guān)閉 IC 的高功耗部分或整個(gè)芯片，以防止溫度進(jìn)一步升高及造成損壞。

一旦 IC 冷卻到安全溫度，它可以自動(dòng)重新啟動(dòng)之前關(guān)閉的部分或整個(gè) IC，在確保保護的同時(shí)最大限度地減少停機時(shí)間。這種機制對于維持 IC 的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，可保護 IC 免受外部故障、過(guò)載或溫度波動(dòng)的影響。

有功能安全要求的產(chǎn)品也需要 TSD。也可使用具有功率降額功能的熱監測或熱預警。

TSD 應當保護 IC 免受熱失控的影響，以形成一個(gè)正反饋。循環(huán)熱失控發(fā)生在 IC 產(chǎn)生的熱量超過(guò)其散熱能力時(shí)，導致溫度不可控地上升。高溫會(huì )增加結和亞閾值泄漏，降低 MOS 晶體管的性能，并提高功率耗散。

如果缺乏 TSD 的保護，這一循環(huán)將持續到 IC 過(guò)熱，可能導致故障、壽命縮短或安全隱患，包括火災或爆炸。

TSD 級別的設置通常略高于最高工作溫度，以便偶爾出現溫度偏差時(shí)不會(huì )造成不必要的關(guān)機，但也要足夠低，以便有效控制和關(guān)閉功率耗散部分。例如，如果最高工作溫度為 165°C，考慮到 TSD 電路的制造容差，TSD 級別可設置在 170°C 至 185°C 之間。正確設置這一閾值對于平衡電子設計中的性能和安全性至關(guān)重要。

TSD 電路及其所有由該機制控制的相關(guān)模塊必須設計為能夠在最大 TSD 溫度以及額外的安全裕度范圍內可靠工作。這個(gè)安全裕度考慮了芯片上的溫度梯度，即功率器件與溫度傳感器之間的溫差。根據布局的不同以及使用的功率器件和傳感器的數量，傳感器可以放置在功率器件內部、旁邊或更遠的位置。此外，裕量還考慮了從溫度上升到傳感器檢測到過(guò)熱并關(guān)閉受影響的功率晶體管之間的延遲所導致的溫度上升。這確保了即使在極端過(guò)熱情況下，保護功能仍然能夠保持有效運作。因此，TSD 電路必須在比 IC 其余部分更高的溫度下保持工作狀態(tài)，即超過(guò)最大工作結溫。

圖 1. 保護電路的工作溫度范圍

?功耗 - 性能 - 面積

對 IC 進(jìn)行優(yōu)化，需要在功耗、性能和面積（PPA）這三個(gè)指標之間做出權衡。例如，提高性能會(huì )導致更高的功耗或更大的尺寸。相反，降低功耗可能會(huì )限制性能或需要更多的面積來(lái)添加節能元器件。提高最大工作溫度可以擴大功耗空間，從而為性能提升或面積優(yōu)化提供更多余地。

設計能在更高溫度下可靠工作的 IC 實(shí)際上是一種性能的提升，因為它延長(cháng)了使用壽命并降低了故障率。減少對大量冷卻解決方案的需求可以降低系統的整體成本、復雜性和重量，從而實(shí)現更加緊湊和經(jīng)濟高效的設計。

高溫工作能力使得在功耗、性能和面積之間進(jìn)行的權衡更容易，同時(shí)也有助于提升整體的 PPA（功耗 - 性能 - 面積）評分。

結語(yǔ)

安森美（ onsemi ） Treo 平臺提供了一個(gè)專(zhuān)為高溫運行而設計的全面生態(tài)系統。包括先進(jìn)的技術(shù)、器件模型和嚴格的認證流程。Treo 中的所有 IP 都經(jīng)過(guò)精心設計，可在高達 175°C 的寬溫度范圍內工作。該平臺具有熱監測和熱關(guān)斷電路功能，確保性能可靠。熱監測和熱關(guān)斷保護所需的模塊經(jīng)過(guò)設計和驗證，最高溫度可達 200℃。

此外，安森美 Treo 平臺還有助于開(kāi)發(fā)出能夠在惡劣的環(huán)境條件下工作的高性?xún)r(jià)比解決方案。它還提供了優(yōu)化熱管理的機會(huì )，從而設計出高性能、高可靠性的產(chǎn)品。