TI：提高功率密度 有效管理系统散热问题

几乎各种应用的半导体数量都在加倍增加，电子工程师面临的许多设计挑战都与更高功率密度的需求息息相关。
 

TLVM13660 底部包括四个导热垫，所有讯号和电源针脚均可从外围使用，以便于配置和处理
‧超大规模数据中心：机架式服务器使用大量的电力，这对于想要因应持续成长需求的公用事业公司和电力工程师构成一大挑战。
‧电动车：从内燃机到 800V 电池组的过渡伴随着动力总成的半导体数量呈现指数型成长趋势。
‧商业和家庭安全应用：随着视讯门铃和网络监控摄影机变得愈来愈普遍，这些装置尺寸持续缩小形成对必要的散热解决方案的限制。
提高功率密度的障碍是什么？热性能是电源管理整合电路 (IC) 的电气副产品，您无法在系统等级使用滤波组件予以忽略或「优化」。热效应的缓解需要在开发过程的每个步骤中进行关键的微调，以便设计能够满足特定尺寸限制的系统要求。下列是 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.制程技术创新
许多全球半导体制造商都竞相提供电源管理产品，这些产品利用制程技术节点在业界标准封装中提高性能。例如，TI 持续投资 45 和 65 奈米制程技术，利用我们的内部技术开发以及 300 毫米制造效率，提供针对成本、性能、功率、精密度和电压程度进行优化的产品。我们的制程技术进展也有助于我们创造在各种热条件下保持高性能的产品。例如，降低整合式金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的特定导通电阻 (RSP) 或导通阻抗(RDS(on)) 可以尽可能缩小芯片尺寸，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，新的制程节点透过整合功能和提供额外的接地连接来优化针脚配置，这种接地连接有助于从 1.6 毫 x 1.6 毫米小型晶体管 (SOT)-563 封装供应 6 A 的输出电流。如果是五年前问，微型、简单的含铅封装是否能够达到这种性能，大家会抱持怀疑的态度。不过这就是制程技术的美妙之处。
2.电路设计技术
除了在制程技术层面提高效率之外，创造性电路设计在提高功率密度方面也发挥重要作用。设计人员一直以来使用离散式热插入控制器来保护高电流企业应用系统。做为保护功能，这些装置相当可靠，不过随着终端装置制造商 (和消费者) 需要更大的电流能力，离散式电源设计可能会变得太大，尤其是服务器电源单元 (PSU) 等装置通常需要 300 A 电流以上。
TPS25985 eFuse 将整合式 0.59mΩ FET 与电流检测放大器配对。这个放大器可搭配新的主动式电流共享方法，提供便于温度监控的方法。透过将高效率开关与创新整合方法相结合，TPS25985 可以供应高达 70A 的峰值电流，而且您可以轻松堆栈多个 eFuse 提高功率。
3.热优化封装研发
虽然减少散发到印刷电路板 (PCB) 或系统中的热量是基本要求，不过实际情况是不必要的热量仍然存在，尤其是在电源要求或系统环境温度升高时。TI 最近强化 HotRod 四方扁平无引线 (QFN) 封装的性能，其中包括更大的晶粒托盘 (DAP)，有助于促进散热。图 2 显示 6A、36V TLVM13660 降压电源模块的 DAP 总面积和可用的针脚。
系统级散热解决方案
对于服务器 PSU 等大功率应用，具备顶部冷却功能的 GaN 是相当有效的方法，可以在不加热 PCB 的情况下从 IC 去除热量。LMG3522R030-Q1 GaN FET 在顶部冷却封装中整合闸极驱动器和保护功能。使用小于 270-W/in3 功率密度的主动箝位参考设计进行设计的 3kW 相移全桥之中的隔离式 DC/DC 部分，其中利用 LMG3522 达到 97.74% 的峰值效率。
当然，考虑 PCB 中的层数或装配过程和系统成本限制等变量，您可能想要拥有弹性的冷却选项。在这些情况下，LMG3422R030 整合式 GaN FET 等底部冷却 IC 可能更适合。
结论
只有透过多方面的制程和封装技术以及电源设计专业知识，才能在降低热影响的同时保持性能。TI 的产品设计师、系统工程师、封装研发和制造团队都相当关注这项挑战，在没有热陷阱的情况下提高功率密度。