热管理：突破功率密度障碍的3种方法

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。

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

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0.59mΩFET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。

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、36VTLVM13660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-Q1GaN 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。

审核编辑：郭婷