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的電力，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：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。
瞭解提高功率密度的權衡取捨和技術
熱效率對於提高功率密度極為重要。參閱白皮書瞭解如何克服常見障礙。
提高功率密度的障礙是什麼？熱性能是電源管理整合電路 (IC) 的電氣副產品，您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 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。
1. 製程技術創新
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，利用我們的內部技術開發以及 300 毫米製造效率，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。我們的製程技術進展也有助於我們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。
以 TPS566242 降壓轉換器為例，如圖 1 所示。新的製程節點透過整合功能和提供額外的接地連接來優化針腳配置，這種接地連接有助於從 1.6 毫 x 1.6 毫米小型電晶體 (SOT)-563 封裝供應 6 A 的輸出電流。如果五年前問我，微型、簡單的含鉛封裝是否能夠達到這種性能，我會抱持懷疑的態度。不過這就是製程技術的美妙之處！
圖 1：TPS566242 同步降壓轉換器可供應高達 6A 的連續電流
2. 電路設計技術
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 300 A 電流以上。
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 可以供應高達 70A 的峰值電流，而且您可以輕鬆堆疊多個 eFuse 提高功率。
3. 熱優化封裝研發
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。圖 2 顯示 6A、36V TLVM13660 降壓電源模組的 DAP 總面積和可用的針腳。
圖 2：TLVM13660 底部包括四個導熱墊，所有訊號和電源針腳均可從週邊使用，以便於配置和處理
若要深入瞭解這些封裝的演變，請參閱「類比設計期刊」文章「使用小型 DC/DC 轉換器進行設計：HotRod QFN 與強化型 HotRod QFN 封裝。」
系統級散熱解決方案
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。圖 3 顯示使用小於 270-W/in3 功率密度的主動箝位參考設計進行設計的 3kW 相移全橋之中的隔離式 DC/DC 部分，其中利用 LMG3522 達到 97.74% 的峰值效率。
圖 3：使用主動箝位參考設計進行設計的 3kW 相移全橋
當然，考量 PCB 中的層數或裝配過程和系統成本限制等變數，您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。
結論
只有透過多方面的製程和封裝技術以及電源設計專業知識，才能在降低熱影響的同時保持性能。TI 的產品設計師、系統工程師、封裝研發和製造團隊都相當關注這項挑戰，在沒有熱陷阱的情況下提高功率密度。
其他資源
• 造訪 http://www.ti.com/powerdensity 尋找有助於您解決密度挑戰的裝置和技術資源。
• 觀看我們的訓練系列「瞭解功率密度的基本技術」。
• 使用 WEBENCHâ Power Designer 建立自訂電源電路。
關於德州儀器（TI）
德州儀器（納斯達克股票代碼：TXN）為位居世界領導地位的全球半導體公司，致力於設計、製造、測試以及銷售類比和嵌入式半導體晶片，為工業、汽車、個人電子、通訊設備和企業系統等市場服務。打造更美好的世界是我們的願景，為此，我們以半導體技術為基礎，致力於創造更輕巧、更高效、更可靠及更具成本效益的產品解決方案，使半導體更加普及地被應用於各式電子產品中。推動半導體技術持續更上一層樓，是我們數十年來始終如一的信念。更多詳情，敬請瀏覽 TI.com。
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