了解功率密度–提高热性能

本功率密度视频将重点介绍可在 系统级实现的热增强功能 以及 TI 正在为其产品开发的 封装级的一些创新。 让我们首先讨论一下电子产品件的热问题。 大多数电子系统都具有带各种 组件的印刷电路板，这些组件会在 不同的工作条件下消耗功率。 系统将这些 PCB 与其他组件一起封装起来， 并与环境相互作用，其中环境通常是指 系统周围的空气。 系统内部组件耗散功率会导致 其温度升高。 温升必须保持在可接受的水平， 从而确保系统 和用户的安全。 让我们来看看是哪些因素决定了 这种温度上升。 封装、PCB 和系统中的材料为热传递 提供了阻力， 原理上类似于电阻。 温升与耗散的功率成正比， 并且还取决于所有这些以串联 和并联方式连接的 热阻的有效电阻。 因此，在所有级别上 都有可能改善热阻。 缩小系统和组件尺寸会让我们从中受益， 但这会导致更高的功率密度， 从而导致更高的温度。 除了提高热阻之外， 如果我们可以开发出更高效的组件和系统， 就可以降低功率耗散， 从而直接降低温度。 那么，可以在 PCB 和系统级进行哪些改进呢？ 想象一个四方扁平无引线或 QFN 封装， 其裸露焊盘连接到 PCB。 在典型情况下，超过 90% 的功率 将从封装通过PCB 传导至环境。 从基线设计开始，较大的 PCB 尺寸 会降低温度，因为较大的面积更有利于 将热量传递至周围空气。 PCB 内的导电层 有助于横向传导热量，因此添加更多的 导电层也大有帮助。 如果无法添加更多的层，增加某些平面的厚度 也可以提高性能。 另外，PCB 过孔在降低层间电阻 方面也起着至关重要的作用。 因此，在关键位置添加散热过孔 可以进一步帮助散热。 当有多个高功率耗散组件彼此相邻时， 请谨慎地优化间距， 尽可能降低温升。 除了对 PCB 进行改进外， 还可以在系统级使用其他热管理技术。 管理温度升高的常用技术是使用 一个散热器连接到顶部的某个组件上。 散热器由高导电性材料制成， 具有较大表面积，可增强与周围 空气的热传递。 如果封装从硅到顶部的内部热阻 非常低，则这种 特殊的配置最为有益。 如果从硅到PCB 底部的 热阻低得多，则在 PCB 背面 安装散热器 可能是更好的选择， 具体取决于系统限制。 必须确保 PCB 中有足够的散热通孔， 以便从封装到PCB 背面进行 有效地热传递。 热管理的其他技术 还包括在两个配合面之间使用 低热阻热界面材料，为较大的间隙使用 间隙填充垫以适应机械容差， 使用热管从难以触及的 位置传递热量，利用风扇进行 强制对流传热， 使用冷板散发热量， 甚至使用射流冷却 来降低局部温度。 让我们看一下TI 为改善封装 热性能而正在开发的一些方法。 从功率密度的角度来看， 带有外露焊盘的 QFN是一种流行的封装。 典型的 QFN 封装是使用硅和引线框之间的 接合线互连结构构建的， 通常具有非常高的电阻。 TI 的 HotRod 互连，其硅裸片直接 倒装在引线框上，可以显著减少 互连寄生效应 并降低功率耗散。 尽管 HotRod 技术可以降低功率耗散， 但与具有较大外露焊盘的接合线 QFN 相比，它可能导致产生不太理想的 外露引线框图案。 狭窄的外露引线框图案放置在 封装下方，这对 PCB 带来了限制， 因此会增加热阻。 TI 的增强型HotRod QFN 利用 硅片上的低寄生互连来降低功耗， 同时还提供了一个较大的外露焊盘， 以通过散热通孔将热量有效地 传递到 PCB。 它集两种封装技术中的出色特性于一体， 以获得出色性能。 晶圆芯片级封装或 WCSP 在移动 和空间受限的应用中是一个 有吸引力的解决方案。 功率通过球栅阵列 直接从硅片传导到 PCB。 让我们分析一下热传导的基本原理。 想象一下垂直热量 流过均质材料的情况。 人们可以通过沿热流方向缩短 其传递长度或 增大热传递面积来降低其热阻。 在水平热流的情况下， 类似的更改可以改善热传导。 此外，通过为沿任何方向 传递的热流使用 更高导热系数的材料， 可以从根本上降低热阻。 TI 正在通过应用热传导的 基本原理来开发PowerCSP 技术， 以提供出色解决方案。 与传统的 WCSP 设计相比，PowerCSP 解决方案的运行温度更低。 虽然经验可以帮助人们设计更好的产品， 但使用先进的计算机模拟进行 准确的预测和权衡分析可以帮助 开发出出色的解决方案。 TI 使用数值模拟 来理解所有三种热传递模式，例如 热传导、对流和辐射。 在某些情况下，可能需要进行电气 和热耦合分析来捕捉复杂的设备行为。 这些仿真提供了器件内详细的 温度场，包括硅片 和封装互连级的温度。 这样的温度场 有助于识别改进的机会， 并实现可靠的设计。 例如，由于自发热，针对较大的脉冲持续时间， 器件可以承受较低的负载电流。 通过优化设计，可以在相同的 持续时间内维持较高的电流。 为了提高热性能，TI 提供了 设计工具来帮助选择产品。 其中包括用于设计电源电路的 WEBENCH 电源设计器， 以及用于了解高功率耗散组件 所需电路板面积的PCB 热量计算器。 请访问下面的链接，了解有关可用设计 和仿真工具的更多信息。 感谢您抽出宝贵的时间观看本视频。