TI散熱管理突破功率密度效能界線

2022 年 11 月 01 日

幾乎各種應用的半導體數量都在加倍增加,電子工程師面臨的許多設計挑戰都與更高功率密度的需求息息相關。超大規模資料中心機架式伺服器使用大量電力,這對於想要因應持續成長需求的公用事業公司和電力工程師構成一大挑戰;電動車從內燃機到800V電池組的過渡伴隨著動力總成的半導體數量呈現指數型成長趨勢;商業和家庭安全應用方面,隨著視訊門鈴和網路監控攝影機變得愈來愈普遍,這些裝置尺寸持續縮小形成對必要的散熱解決方案的限制。

提高功率密度的障礙是什麼?熱性能是電源管理積體電路(IC)的電氣副產品,無法在系統等級使用濾波元件予以忽略或「優化」。熱效應的緩解需要在開發過程的每個步驟中進行關鍵的微調,以便設計能夠滿足特定尺寸限制的系統要求。下列是德州儀器(TI)專注於優化熱性能和突破晶片級功率密度障礙的三個關鍵領域。

許多全球半導體製造商都競相提供電源管理產品,這些產品利用製程技術節點在業界標準封裝中提高性能。例如,TI持續投資45和65奈米製程技術,提供針對成本、性能、功率、精密度和電壓程度進行優化的產品。製程技術進展也有助於TI創造在各種熱條件下保持高性能的產品。例如,降低整合式金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的特定導通電阻(RSP)或導通阻抗(RDS(on))可以盡可能縮小晶片尺寸,同時提高熱性能。氮化鎵(GaN)或碳化矽等其他半導體開關也是如此。

除了在製程技術層面提高效率之外,創造性電路設計在提高功率密度方面也發揮重要作用。設計人員一直以來使用離散式熱插拔控制器來保護高電流企業應用系統。做為保護功能,這些裝置相當可靠,不過隨著終端裝置製造商(和消費者)需要更大的電流能力,離散式電源設計可能會變得太大,尤其是伺服器電源單元(PSU)等裝置通常需要300A電流以上。

TI TPS25985 eFuse將整合式0.59mΩ FET與電流檢測放大器配對。這個放大器可搭配新的主動式電流共享方法,提供便於溫度監控的方法。透過將高效率開關與創新整合方法相結合,TPS25985可以供應達70A的峰值電流,而且可輕鬆堆疊多個eFuse提高功率。

雖然減少散發到印刷電路板(PCB)或系統中的熱量是基本要求,不過實際情況是不必要的熱量仍然存在,尤其是在電源要求或系統環境溫度升高時。TI最近強化HotRod四方扁平無引線(QFN)封裝的性能,其中包括更大的晶粒托盤(DAP),有助於促進散熱;對於伺服器PSU等大功率應用,具備頂部冷卻功能的GaN是相當有效的方法,可以在不加熱PCB的情況下從IC去除熱量。LMG3522R030-Q1 GaN FET在頂部冷卻封裝中整合閘極驅動器和保護功能。

當然,考量PCB中的層數或裝配過程和系統成本限制等變數,可能想要擁有彈性的冷卻選項。在這些情況下,LMG3422R030整合式GaN FET等底部冷卻IC可能更適合。

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