德州仪器分享：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。

1工艺威廉希尔官方网站 创新

许多全球半导体制造商都在竞相提供电源管理产品，这些产品利用工艺威廉希尔官方网站 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 工艺威廉希尔官方网站 ，利用内部威廉希尔官方网站 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。我们的工艺威廉希尔官方网站 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。这就是工艺威廉希尔官方网站 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电路设计威廉希尔官方网站

除了在工艺威廉希尔官方网站 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

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威廉希尔官方网站 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。

关于德州仪器 (TI)

德州仪器 (TI) (纳斯达克股票代码：TXN) 是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售interwetten与威廉的赔率体系 和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体威廉希尔官方网站 让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的威廉希尔官方网站 变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。

审核编辑：汤梓红