熱管理：突破功率密度障礙的幾種方法

熱設計 2025-03-04

來源：TEXAS INTRUMENTS

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。

◆商業和家庭安防應用：隨著可視門鈴和互聯網協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級過濾元件“優化”。要緩解系統過熱問題，需要在開發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要求。以下是 TI 專注于優化熱性能和突破芯片級功率密度障礙的三個關鍵領域。

▌工藝技術創新

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點在業界通用封裝中實現更高的性能。例如，TI 持續投資 45nm 和 65nm 工藝技術，利用內部技術開發以及 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化的產品。我們的工藝技術進步也幫助我們創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) 的特定導通狀態電阻 (RSP) 或漏源導通狀態電阻 (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。新的工藝節點通過集成功能并提供額外的接地連接優化了引腳布局，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這種類型的性能，我會表示懷疑。但現在，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 的連續電流

▌電路設計技術

除了在工藝技術層面提高效率之外，創造性的電路設計在提高功率密度方面也發揮著重要作用。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控。通過結合使用高效的開關與創新的集成方法，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。

▌熱優化封裝研發

盡管減少散發到印刷電路板 (PCB) 或系統中的熱量是一項基本要求，但現實情況是，過多的熱量仍然存在，尤其是在功率要求更高或系統環境溫度升高的情況下。TI 最近增強了其 HotRod^TM 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

▌系統級散熱解決方案

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 實現了 97.74% 的峰值效率。