實(shí)現(xiàn)更高電源功率密度的 3 種方法

本文將介紹實(shí)現(xiàn)更高電源功率密度的 3 種方法，工藝技術(shù)創(chuàng)新、電路設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化、熱優(yōu)化封裝研發(fā)

幾乎每個(gè)應(yīng)用中的半導(dǎo)體數(shù)量都在成倍增加，電子工程師面臨的諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都?xì)w結(jié)于需要更高的功率密度。例如下面這幾類應(yīng)用：?

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：機(jī)架式服務(wù)器工作使用的功率讓人難以置信，這讓公用事業(yè)公司和電力工程師難以跟上不斷增長(zhǎng)的電力需求。

電動(dòng)汽車：從內(nèi)燃機(jī)到?800V?電池包的過(guò)渡會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力總成的半導(dǎo)體組件數(shù)量呈指數(shù)增加。

商業(yè)和家庭安防應(yīng)用：隨著可視門鈴和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議攝像頭變得越來(lái)越普遍，它們的尺寸越來(lái)越小，這對(duì)必要的散熱解決方案增加了約束。

實(shí)現(xiàn)更高功率密度的障礙是什么？實(shí)際上，熱性能是電源管理集成電路?(IC)?在電氣方面的附加特性，既無(wú)法忽略也不能使用系統(tǒng)級(jí)過(guò)濾元件“優(yōu)化”。要緩解系統(tǒng)過(guò)熱問(wèn)題，需要在開發(fā)過(guò)程的每個(gè)步驟中進(jìn)行關(guān)鍵的微調(diào)，以便設(shè)計(jì)能夠滿足給定尺寸約束下的系統(tǒng)要求。

1、工藝技術(shù)創(chuàng)新

許多全球半導(dǎo)體制造商都在競(jìng)相提供電源管理產(chǎn)品，這些產(chǎn)品利用工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)在業(yè)界通用封裝中實(shí)現(xiàn)更高的性能。例如，TI?持續(xù)投資?45nm?和?65nm?工藝技術(shù)，利用內(nèi)部技術(shù)開發(fā)以及?300mm?制造效能來(lái)提供針對(duì)成本、性能、功率、精度和電壓電平進(jìn)行優(yōu)化的產(chǎn)品。我們的工藝技術(shù)進(jìn)步也幫助我們創(chuàng)造出在各種熱條件下保持高性能的產(chǎn)品。例如，降低集成金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管?(MOSFET)?的特定導(dǎo)通狀態(tài)電阻?(RSP)?或漏源導(dǎo)通狀態(tài)電阻?(RDS(on))，可以更大限度地減小芯片尺寸，同時(shí)提高熱性能。氮化鎵?(GaN)?或碳化硅等其他半導(dǎo)體開關(guān)也是如此。

以?TPS566242?降壓轉(zhuǎn)換器為例，如圖?1?中所示。新的工藝節(jié)點(diǎn)通過(guò)集成功能并提供額外的接地連接優(yōu)化了引腳布局，有助于在?1.6mm x 1.6mm SOT-563?封裝中提供?6A?輸出電流。如果您五年前問(wèn)我微型引線式簡(jiǎn)易封裝是否實(shí)現(xiàn)這種類型的性能，我會(huì)表示懷疑。但現(xiàn)在，這已經(jīng)成為了可能。這就是工藝技術(shù)的魅力。

?圖1：TPS566242?同步降壓轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)?6A?的連續(xù)電流

2、電路設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

除了在工藝技術(shù)層面提高效率之外，創(chuàng)造性的電路設(shè)計(jì)在提高功率密度方面也發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)人員歷來(lái)使用分立式熱插拔控制器來(lái)保護(hù)大電流企業(yè)應(yīng)用。這些元件可以提供可靠的保護(hù)功能，但隨著終端設(shè)備制造商（和消費(fèi)者）需要更大的電流能力，分立式電源設(shè)計(jì)可能會(huì)變得過(guò)大，尤其是對(duì)于服務(wù)器電源單元?(PSU)?等通常需要?300A?或更高電流的應(yīng)用。

TPS25985?電子保險(xiǎn)絲將集成式?0.59mΩ?FET?與電流檢測(cè)放大器搭配使用。這個(gè)放大器，加上一種新的有源電流共享方法，可讓您輕松進(jìn)行溫度監(jiān)控。通過(guò)結(jié)合使用高效的開關(guān)與創(chuàng)新的集成方法，TPS25985?可以提供高達(dá)?70A?的峰值電流，并且您可以輕松堆疊多個(gè)電子保險(xiǎn)絲，獲得更高的功率。

3、熱優(yōu)化封裝研發(fā)

盡管減少散發(fā)到印刷電路板?(PCB)?或系統(tǒng)中的熱量是一項(xiàng)基本要求，但現(xiàn)實(shí)情況是，過(guò)多的熱量仍然存在，尤其是在功率要求更高或系統(tǒng)環(huán)境溫度升高的情況下。TI?最近增強(qiáng)了其?HotRod?Quad-Flat-No lead (QFN)?封裝的性能，包含更大的裸片連接焊盤?(DAP)，可實(shí)現(xiàn)更好的散熱。圖?2?顯示了?6A、36V?TLVM13660?降壓電源模塊的總?DAP?面積和引腳易用性。

?

圖?2：TLVM13660?底部包括四個(gè)導(dǎo)熱墊，所有信號(hào)和電源引腳均分布在外圍，便于布局和處理

要了解有關(guān)這些封裝演變的更多信息，請(qǐng)參閱模擬設(shè)計(jì)期刊文章，“采用小型直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)：HotRod QFN 與增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝”。

系統(tǒng)級(jí)散熱解決方案

對(duì)于服務(wù)器?PSU?等大功率應(yīng)用，具有頂部冷卻功能的?GaN?是一種非常有效的散熱方法，可以在不使?PCB?變熱的情況下去除?IC?中的熱量。LMG3522R030-Q1?GaN FET 在頂部冷卻封裝中集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。圖?3?顯示了具有有源鉗位、功率密度大于 270W/in3?的 3kW 相移全橋參考設(shè)計(jì)的“隔離式直流/直流”部分，該設(shè)計(jì)利用?LMG3522?實(shí)現(xiàn)了?97.74%?的峰值效率。

?

圖?3：具有有源鉗位的?3kW?相移全橋參考設(shè)計(jì)

當(dāng)然，考慮到諸如?PCB?層數(shù)或組裝流程和系統(tǒng)成本限制等不同，您可能希望擁有靈活的冷卻選項(xiàng)。在這些情況下，LMG3422R030?集成式?GaN FET?等底部冷卻?IC?可能更適用。

結(jié)語(yǔ)

只有采用多方面的工藝和封裝技術(shù)并具備電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，才能在降低熱影響的同時(shí)保持高性能。

審核編輯 黃昊宇