热管理：突破功率密度障碍的 3 种方法

作者：德州仪器

几乎每个应用中的半导体数量都在成倍增加，电子工程师面临的诸多设计挑战都归结于需要更高的功率密度。例如下面这几类应用：

•        超大规模数据中心：机架式服务器工作使用的功率让人难以置信，这让公用事业公司和电力工程师难以跟上不断增长的电力需求。
•        电动汽车：从内燃机到 800V 电池包的过渡会导致动力总成的半导体组件数量呈指数增加。
•        商业和家庭安防应用：随着可视门铃和互联网协议摄像头变得越来越普遍，它们的尺寸越来越小，这对必要的散热解决方案增加了约束。

实现更高功率密度的障碍是什么？实际上，热性能是电源管理集成电路 (IC) 在电气方面的附加特性，既无法忽略也不能使用系统级过滤元件“优化”。要缓解系统过热问题，需要在开发过程的每个步骤中进行关键的微调，以便设计能够满足给定尺寸约束下的系统要求。以下是 TI 专注于优化热性能和突破芯片级功率密度障碍的三个关键领域。

1.        工艺技术创新

许多全球半导体制造商都在竞相提供电源管理产品，这些产品利用工艺技术节点在业界通用封装中实现更高的性能。例如，TI 持续投资 45nm 和 65nm 工艺技术，利用内部技术开发以及 300mm 制造效能来提供针对成本、性能、功率、精度和电压电平进行优化的产品。我们的工艺技术进步也帮助我们创造出在各种热条件下保持高性能的产品。例如，降低集成金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的特定导通状态电阻 (RSP) 或漏源导通状态电阻 (RDS(on))，可以更大限度地减小芯片尺寸，同时提高热性能。氮化镓 (GaN) 或碳化硅等其他半导体开关也是如此。

以 TPS566242 降压转换器为例，如图 1 中所示。新的工艺节点通过集成功能并提供额外的接地连接优化了引脚布局，有助于在 1.6mm x 1.6mm SOT-563 封装中提供 6A 输出电流。如果您五年前问我微型引线式简易封装是否实现这种类型的性能，我会表示怀疑。但现在，这已经成为了可能。这就是工艺技术的魅力。


图 1：TPS566242 同步降压转换器可提供高达 6A 的连续电流

2.        电路设计技术

除了在工艺技术层面提高效率之外，创造性的电路设计在提高功率密度方面也发挥着重要作用。设计人员历来使用分立式热插拔控制器来保护大电流企业应用。这些元件可以提供可靠的保护功能，但随着终端设备制造商（和消费者）需要更大的电流能力，分立式电源设计可能会变得过大，尤其是对于服务器电源单元 (PSU) 等通常需要 300A 或更高电流的应用。

TPS25985 电子保险丝将集成式 0.59mΩ FET 与电流检测放大器搭配使用。这个放大器，加上一种新的有源电流共享方法，可让您轻松进行温度监控。通过结合使用高效的开关与创新的集成方法，TPS25985 可以提供高达 70A 的峰值电流，并且您可以轻松堆叠多个电子保险丝，获得更高的功率。

3.        热优化封装研发

尽管减少散发到印刷电路板 (PCB) 或系统中的热量是一项基本要求，但现实情况是，过多的热量仍然存在，尤其是在功率要求更高或系统环境温度升高的情况下。TI 最近增强了其 HotRod™ Quad-Flat-No lead (QFN) 封装的性能，包含更大的裸片连接焊盘 (DAP)，可实现更好的散热。图 2 显示了 6A、36V TLVM13660 降压电源模块的总 DAP 面积和引脚易用性。


图 2：TLVM13660 底部包括四个导热垫，所有信号和电源引脚均分布在外围，便于布局和处理

要了解有关这些封装演变的更多信息，请参阅模拟设计期刊文章，“采用小型直流/直流转换器进行设计：HotRod QFN 与增强型 HotRod QFN 封装”。

系统级散热解决方案

对于服务器 PSU 等大功率应用，具有顶部冷却功能的 GaN 是一种非常有效的散热方法，可以在不使 PCB 变热的情况下去除 IC 中的热量。LMG3522R030-Q1 GaN FET 在顶部冷却封装中集成了栅极驱动器和保护功能。图 3 显示了具有有源钳位、功率密度大于 270W/in3 的 3kW 相移全桥参考设计的“隔离式直流/直流”部分，该设计利用 LMG3522 实现了 97.74% 的峰值效率。


图 3：具有有源钳位的 3kW 相移全桥参考设计

当然，考虑到诸如 PCB 层数或组装流程和系统成本限制等不同，您可能希望拥有灵活的冷却选项。在这些情况下，LMG3422R030 集成式 GaN FET 等底部冷却 IC 可能更适用。

结语

只有采用多方面的工艺和封装技术并具备电源设计专业知识，才能在降低热影响的同时保持高性能。在 TI，我们的产品设计人员、系统工程师、封装研发和制造团队都密切关注散热问题，从而在不影响热性能的情况下实现更高的功率密度。

其他资源

·      访问 www.ti.com/powerdensity 查找器件和技术资源来解决功率密度挑战。·      观看我们的培训系列“了解功率密度的基础技术。”·      借助 WEBENCHa Power Designer 创建定制电源电路。