TI：提高功率密度 有效管理系統(tǒng)散熱問題

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

TLVM13660 底部包括四個導熱墊，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(guī)模數(shù)據(jù)中心：機架式服務器使用大量的電力，這對于想要因應持續(xù)成長需求的公用事業(yè)公司和電力工程師構成一大挑戰(zhàn)。
?電動車：從內燃機到 800V 電池組的過渡伴隨著動力總成的半導體數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)型成長趨勢。
?商業(yè)和家庭安全應用：隨著視訊門鈴和網(wǎng)絡監(jiān)控攝影機變得愈來愈普遍，這些裝置尺寸持續(xù)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) 的電氣副產品，您無法在系統(tǒng)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發(fā)過程的每個步驟中進行關鍵的微調，以便設計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功率密度障礙的三個關鍵領域。
1.制程技術創(chuàng)新
許多全球半導體制造商都競相提供電源管理產品，這些產品利用制程技術節(jié)點在業(yè)界標準封裝中提高性能。例如，TI 持續(xù)投資 45 和 65 奈米制程技術，利用我們的內部技術開發(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行優(yōu)化的產品。我們的制程技術進展也有助于我們創(chuàng)造在各種熱條件下保持高性能的產品。例如，降低整合式金屬氧化物半導體場效應晶體管 (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，新的制程節(jié)點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 6 A 的輸出電流。如果是五年前問，微型、簡單的含鉛封裝是否能夠達到這種性能，大家會抱持懷疑的態(tài)度。不過這就是制程技術的美妙之處。
2.電路設計技術
除了在制程技術層面提高效率之外，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。設計人員一直以來使用離散式熱插入控制器來保護高電流企業(yè)應用系統(tǒng)。做為保護功能，這些裝置相當可靠，不過隨著終端裝置制造商 (和消費者) 需要更大的電流能力，離散式電源設計可能會變得太大，尤其是服務器電源單元 (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。這個放大器可搭配新的主動式電流共享方法，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 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。TI 最近強化 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)級散熱解決方案
對于服務器 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器和保護功能。使用小于 270-W/in3 功率密度的主動箝位參考設計進行設計的 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(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。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
只有透過多方面的制程和封裝技術以及電源設計專業(yè)知識，才能在降低熱影響的同時保持性能。TI 的產品設計師、系統(tǒng)工程師、封裝研發(fā)和制造團隊都相當關注這項挑戰(zhàn)，在沒有熱陷阱的情況下提高功率密度。