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电池冷却系统@@对电动汽车@@@@如何重要@@？

judy — Fri, 24 Nov 2023 06:54:32 +0000

本文要点@@：

现代电动汽车@@@@中最常见的@@两种电池是锂离子电池和@@锂聚合物电池@@。

过热是加速电池老化的@@罪魁祸首之一@@。

电动汽车@@@@的@@电池冷却系统@@可以@@调节电池组的@@温度@@@@。

1. 传统车辆与@@电动汽车@@@@@@

传统车辆以@@内燃机为@@基础@@，靠消耗燃油驱动行驶@@。因此@@进口石油在@@国家经济中占了很大比@@重@@。相比@@@@之下@@，以@@电力为@@能源的@@电动汽车@@@@不仅能支持经济发展@@，还能保障国家的@@能源安全@@。随着电动汽车@@@@的@@普及@@，了解电动汽车@@@@的@@功能@@，尤其是了解电池系统的@@工作原理十分重要@@。

电动汽车@@@@的@@行驶依赖可充电的@@电池@@。在@@为@@电动机提供电力的@@同时@@@@@@，电池会发热@@，需要通过热管理@@系统进行散热@@。电动汽车@@@@的@@电池冷却系统@@可以@@调节电池和@@其他电子系统的@@温度@@。那么@@，电动汽车@@@@的@@工作原理@@是什么@@？电池的@@冷却方式有哪些@@？

2. 电动汽车@@@@的@@工作原理@@

电动汽车@@@@是未来的@@出行方式@@。与@@传统汽车@@相比@@@@@@，电动汽车@@@@的@@驾驶体验更好@@，具有@@出色的@@扭矩@@、功率@@、速度和@@加速性能@@@@。除此之外@@，电动汽车@@@@还有其他优势@@，如零油耗@@、环保@@、维护需求小@@、高效和@@可靠@@性强@@。

这些@@优势得益于其工作原理@@：电能转换驱动机械运动@@。这需要电池@@、充电器和@@电机的@@彼此配合@@：可充电电池为@@电动汽车@@@@提供电能@@，然后电机根据需要转化成@@驱动力@@。电池的@@电量用尽后@@，电动汽车@@@@就会寸步难行@@。为@@了确保电动汽车@@@@的@@可靠@@行驶@@，电池非常关键@@。那么@@，常见的@@电池类型有哪几种@@？

3. 常见的@@电动汽车@@@@电池类型@@

电动汽车@@@@依赖各种类型的@@可充电电池@@。锂离子电池和@@锂聚合物电池是现代电动汽车@@@@中最常见的@@两种@@。相比@@@@于自身的@@重量@@@@，二者的@@能源密度@@很高@@。除此之外@@，镍氢电池也用于混合动力电动汽车@@@@@@，铅酸电池则用于电动汽车@@@@的@@辅助供电@@。

4. 电池温度过热的@@不利影响@@

过热是加速电池老化的@@罪魁祸首之一@@。发热会让电池难以@@工作@@，时@@间一长@@，电池性能@@会不断下降@@。直流@@@@快充不利于电池寿命@@@@，因为@@@@快充电流@@会导致电池温度升高@@。

电池温度高会导致电池液蒸发@@，损坏电池的@@内部结构@@，造成@@不可逆的@@伤害@@。在@@最佳温度下@@，放电功率@@可用性@@、再生制动充电和@@电池健康都处于最佳状态@@。而随着温度升高@@，电池寿命@@、电动汽车@@@@驾驶性能@@和@@经济性都会降低@@。因此@@，电池冷却系统@@在@@电动汽车@@@@中的@@@@作用不容小觑@@。

5. 电动汽车@@@@中的@@@@电池液冷系统@@

电池冷却系统@@可以@@调节电池组的@@温度@@，这是因为@@@@电动汽车@@@@使用@@含@@有乙二醇等液体冷却剂的@@冷却回路@@。其中@@，电动泵会让冷却液在@@电池内循环流@@动@@，散热器则将@@热量释放到@@周围环境中@@。

电动汽车@@@@的@@电池冷却系统@@可分为@@两种@@：被动液体冷却系统@@和@@主动液体冷却系统@@@@。

被动液体冷却系统@@

在@@被动液冷系统中@@，冷却功率@@取决于环境温度和@@电池温度之间的@@温差@@。在@@散热器后面连接风扇@@，可以@@提高冷却性能@@@@。

主动液体冷却系统@@

当@@环境温度高于电池温度或二者的@@温差太小时@@@@，主动式液冷系统就会发挥作用@@。主动液冷系统由两个回路组成@@@@。其主回路与@@被动液冷系统类似@@。二级回路则位于空调回路中@@，由两个热交换器组成@@@@，分别用作蒸发器和@@冷凝器@@。

要确保电力驱动的@@可靠@@性@@，电动汽车@@@@电池冷却系统@@的@@快速反应至关重要@@。为@@此@@，需要对电池的@@热管理@@系统进行准确@@、可靠@@的@@仿真分析@@，以@@便在@@设计早期识别问题@@，减少产品落地时@@的@@潜在@@风险@@。

6. 热管理@@系统的@@仿真分析解决方案@@

随着电动汽车@@@@的@@行业发展进入快车道@@，新能源汽车@@的@@@@PCB用量可达传统汽车@@数倍@@@@，毫无疑问@@，其电子成@@本占整车比@@重上升@@。为@@了更高的@@性能@@和@@能效@@，产品的@@功率@@级必须能够管理较大的@@电流@@@@，同时@@@@满足严格的@@电能耗散和@@尺寸要求@@。

因此@@，设计人员面临着更加复杂的@@电池热管理@@挑战@@。但@@目前@@，许多热效应分析方式难以@@准确@@、可靠@@、综合地仿真其对电子的@@影响@@，例如@@电流@@过于集中等问题常被忽视@@，此时@@电热协同仿真分析是最佳解决方案@@。

Cadence Celsius Thermal Solver 是第@@一种专为@@电气与@@机械工程师设计的@@热分析技术@@。电气工程师可以@@扩展电源完整性分析@@，包括@@快速@@、准确和@@易于使用@@的@@热仿真@@；而机械工程师可以@@扩展现有的@@热分析方法@@，包括@@因电热相互作用产生的@@真实热源@@。

Celsius Thermal Solver 环境支持各个方面的@@热分析@@，可以@@快速准确地识别@@ IC 封装@@、PCB 和@@电子系统中的@@@@热问题@@。它采用@@创新的@@大规模并行求解器技术@@，仿真速度比@@传统热仿真器最高可快@@10 倍@@，同时@@@@显著减少内存使用@@@@。它还整合了有限元分析@@ (FEA) 和@@计算流@@体力学@@ (CFD)；利用@@ FEA 来处理传导@@，利用@@ CFD 来处理对流@@和@@气流@@@@。

一文读懂碳化硅@@设计中的@@@@热管理@@@@

judy — Mon, 23 Oct 2023 02:26:35 +0000

随着我们寻求更强大@@、更小@@型的@@电源解决方案@@，碳化硅@@ (SiC) 等宽禁带@@ (WBG) 材料变得越来越流@@行@@，特别是在@@一些具有@@挑战性的@@应用领域@@，如汽车@@驱动系统@@、直流@@@@快速充电@@、储能电站@@、不间断电源和@@太阳能发电@@。

这些@@应用有一点非常相似@@，它们都需要逆变器@@（图@@ 1）。它们还需要紧凑且高能效的@@轻量级解决方案@@。就汽车@@而言@@，轻量化是为@@了增加续航里程@@，而在@@太阳能应用中@@，这是为@@了限制太阳能设备在@@屋顶上的@@重量@@@@。

图@@ 1.典型的@@@@ EV 动力总成@@@@，其中@@显示了@@逆变器@@

半导体损耗@@
决定逆变器效率的@@主要因素之一是所使用@@的@@半导体器件@@（IGBT / MOSFET）。这些@@器件表现出两种主要类型的@@损耗@@：导通损耗和@@开关损耗@@。导通损耗与@@开通状态下的@@导通电阻@@ (RDS(ON)) 成@@ 正比@@@@，计算方法为@@漏极电流@@@@ (ID) 与@@漏源电压@@ (VDS) 的@@乘积@@。

将@@ SiC MOSFET 的@@ VDS 特性与@@类似@@ Si IGBT 的@@特性进行比@@较@@@@，可以@@观察到@@@@，对于给定电@@ 流@@，SiC 器件的@@@@ VDS 通常较低@@。还值得注意的@@是@@，与@@ IGBT 不同@@，SiC MOSFET 中的@@@@ VDS 与@@ ID成@@正比@@@@@@，这意味着@@它在@@低电流@@下的@@导通损耗会显著降低@@。这在@@高功率@@应用@@（例如@@汽车@@和@@太阳能@@）中非常重要@@，因为@@@@它意味着在@@这些@@应用中@@，逆变器在@@其工作生命周期的@@大部分@@时@@间处于小功率@@工@@ 况@@，效率会有显著提高@@，损耗更低@@。

图@@ 2.Si IGBT 和@@ SiC MOSFET 的@@ V_DS 比@@较@@

驱动损耗与@@开关器件所需的@@栅极电荷@@ (Qg) 成@@正比@@@@@@。这是每个开关周期都需要的@@@@，使其与@@开关频率成@@正比@@@@@@@@，并且@@ Si MOSFET 比@@ SiC 器件更大@@。设计人员热衷于提高开关频率以@@减小磁性@@188足彩外围@@app 的@@尺寸@@、重量@@和@@成@@本@@，这意味着@@使用@@@@ SiC 器件会带来显著优势@@。

热管理@@影响@@
电源系统中的@@@@所有损耗都会变成@@热量@@，这会影响@@188足彩外围@@app 密度@@，从而增加终端应用的@@尺寸@@@@。发热组件不仅会升高其自身的@@内部温度@@，还会升高整个应用的@@环境温度@@。为@@确保温升不会限制运行甚至导致组件故障@@，需要在@@设计中进行热管理@@@@。

SiC MOSFET 能够在@@比@@硅器件更高的@@频率和@@温度下运行@@。由于它们可以@@承受更高的@@工作温度@@，因此@@减少了对热管理@@的@@需求@@，可以@@允许器件本身产生更大的@@热量@@。这意味着@@，将@@基于@@硅的@@设计与@@等效的@@基于@@@@ SiC 的@@设计进行比@@较@@时@@@@，热管理@@要求要低得多@@，因为@@@@ SiC 系统产生的@@损耗更低@@@@，并且@@可以@@在@@更高的@@温度下运行@@。

通过比@@较@@@@，一个典型的@@@@@@ SiC 二极管在@@@@ 80kHz 下工作时@@@@，损耗比@@同等硅二极管低@@ 73%。因此@@，在@@太阳能应用和@@电动汽车@@@@的@@大功率@@逆变器中@@，SiC 器件的@@@@效率优势将@@对降低电力系统的@@热管理@@需@@ 求产生非常显著的@@影响@@，可能降低@@ 80% 或更多@@。

基于@@SiC的@@电源系统的@@总成@@本@@
尽管@@ SiC 器件投入实际使用@@已经有一段时@@间了@@，但@@人们认为@@基于@@@@ SiC 的@@设计最终成@@本将@@高于硅基设计@@，因而在@@某些方面减缓了@@ SiC 器件的@@@@采用@@速度@@。然而@@，若是直接比@@较@@硅基器件和@@@@SiC 器件的@@@@相对成@@本@@，而不考虑每种技术对整体系统成@@本的@@影响@@，可能会使设计人员得出错误的@@结论@@。

如果我们考虑@@ 30 kW 左右的@@硅基电源解决方案@@，用于开关的@@半导体器件加起来约占物料清单成@@本的@@@@10%。主要的@@无源@@@@188足彩外围@@app （电感器和@@电容器@@）占剩余成@@本的@@大部分@@@@，分别为@@@@ 60% 和@@ 30%。

虽然@@ SiC 器件的@@@@单位成@@本确实高于等效的@@硅基器件@@，但@@ SiC 器件的@@@@性能@@降低了对电感器和@@电容器@@的@@要求@@，显著降低了系统的@@尺寸@@@@、重量@@和@@成@@本@@。仅此一项就可以@@将@@@@ SiC 的@@物料清单的@@总成@@本低于同等硅基解决方案@@。然而@@，正如我们所见@@，基于@@ SiC 的@@解决方案中的@@@@热管理@@成@@本也明显更低@@。因此@@，加上这种成@@本节约意味着@@ SiC 设计更高效@@、更小@@、更轻@@，而且一定程度上成@@本更低@@。

安森美@@ (onsemi) 最新的@@@@ 1200 V 和@@ 900 V N 沟道@@ EliteSiC MOSFET具有@@低反向恢复电荷的@@体二极管@@，可以@@显著降低损耗@@，即使在@@更高的@@频率下操作也是如此@@。芯片尺寸小有助于高频操作@@，减少栅极电荷@@，减小米勒@@ (Crss) 和@@输出@@ (Coss) 寄生电容@@，从而减少开关损耗@@。

这些@@新器件的@@@@@@ ID 额定电流@@高达@@ 118 A，可提高整体系统效率并改善@@EMI，同时@@@@允许设计人员使用@@更少@@（和@@更小@@@@）的@@无源@@188足彩外围@@app 。如果需要处理更高电流@@@@，这些@@器件可以@@配置为@@并联工作@@，因为@@@@它们具有@@正温度系数而不受温度影响@@。

主要有两种热管理@@方法@@：主动或被动@@。被动方法使用@@散热片或其他类似器件@@（例如@@热管@@）将@@多余的@@热量从发热器件转移到@@外壳@@，进而消散到@@周围环境中@@。散热片的@@散热能力随着尺寸的@@增加而增加@@，散热能力与@@可用的@@表面积成@@正比@@@@@@@@，为@@了在@@最小的@@体积中实现最大的@@表面积@@，这通常会引入复杂的@@设计@@。

主动散热通常涉及某种形式的@@降温装置@@，例如@@电动汽车@@@@应用中的@@@@风扇或冷却液@@。由于它们会产生强制气流@@@@，因此@@它们可以@@在@@受限空间内提供更多散热@@。然而@@，也有一些明显的@@缺点@@，包括@@风扇可靠@@性和@@需要在@@逆变器外壳上开孔以@@允许气流@@流@@通@@（这也可能导致灰尘或液体进入@@）。此外@@，风扇需要额外的@@电能才能运行@@，这会影响@@整体系统的@@效率@@。

总结@@
电源设计人员面临着提供更高效@@、更可靠@@@@和@@体积更小@@的@@解决方案的@@挑战@@，他们正在@@寻求@@ SiC 等新技术来帮助他们应对这些@@挑战并降低总成@@本@@。

基于@@ SiC 的@@开关器件使设计人员能够让系统在@@更高的@@温度和@@频率下以@@更低的@@损耗运行@@，这是应对这些@@挑战的@@关键@@。此外@@，这些@@电气性能@@优势意味着无源器件的@@@@热管理@@要求和@@@@188足彩外围@@app 值的@@显著降低@@，从而进一步降低成@@本和@@尺寸@@/重量@@。因此@@，SiC 方案能够以@@更小@@的@@尺寸@@和@@更低的@@成@@本实现更高的@@性能@@水平@@。

Melexis发布新款电机驱动@@芯片@@，显著提高电动汽车@@@@机电热管理@@性能@@@@

judy — Fri, 30 Jun 2023 02:43:39 +0000

全球微电子工程公司@@Melexis今日宣布@@，Melexis最新推出电机驱动@@芯片@@MLX81334，可大幅优化@@电动汽车@@@@热力阀@@（精准的@@电池温度控制@@）和@@膨胀阀@@（热泵制冷循环@@），显著增加电动汽车@@@@续航里程@@。MLX81334具有@@扩展内存且支持@@OTA（空中下载技术@@），进一步完善迈来芯的@@嵌入式电机驱动@@芯片产品组合@@，可实现高级软件功能@@。

基于@@LIN的@@电机驱动@@芯片@@MLX81334额定电流@@为@@@@1A，可部署在@@机电热管理@@系统中@@。这款单芯片器件可高效驱动小型直流@@@@电机@@、直流@@@@无刷电机或步进电机@@。每颗芯片都配备一个嵌入式微控制器@@（含@@16位应用处理器和@@独立通信处理器@@）、四个@@FET半桥驱动器以@@及数据转换电路和@@@@LIN或串行接口@@。MLX81334具有@@64KB片上内存@@（MLX81332为@@32KB），为@@运行更为@@复杂的@@软件提供充足的@@内存空间@@，且可实现更多安全诊断功能@@，便于获取关键的@@校准数据@@。此外@@，MLX81334还支持@@OTA更新@@。

Melexis运用自身在@@高压绝缘体上硅@@（SOI）技术方面的@@精深造诣推出了这款驱动芯片@@，成@@功地将@@优异的@@运行稳定性与@@高水平的@@功能集成@@相结合@@，可在@@精巧的@@外形中实现大功率@@运行@@。该@@器件占用的@@电路板空间极小@@，可应用于对空间有严苛要求的@@机电设备部署中@@。

Melexis的@@驱动芯片@@MLX81334采用@@5mm × 5mm 32引脚@@QFN封装@@，适用于@@12V和@@24V汽车@@系统@@，内部集成@@了过温@@、过流@@@@、过压和@@欠压保护功能@@。

“新一代汽车@@机电设备对于具有@@小巧@@PCB的@@大功率@@驱动硬件的@@需求日益增长@@，而我们推出的@@单芯片产品可以@@为@@电动汽车@@@@带来尺寸更为@@紧凑的@@热力阀@@，”Melexis嵌入式电机驱动@@芯片产品线经理@@Marc Lambrechts表示@@，“通过降低材料成@@本@@、保持优异的@@性价比@@@@，我们的@@汽车@@客户可开发@@出具有@@竞争力的@@热管理@@系统@@。此外@@，我们经验丰富的@@工程师可提供相应的@@技术支持@@，帮助客户一次性实现正确设计@@。”

有关详细信息@@，请访问@@@@www.melexis.com/MLX81334或直接下载@@MLX81334产品简介@@。

关于迈来芯公司@@

Melexis将@@对技术的@@无限热忱与@@灵感迸发的@@工程设计创想融于一体@@，致力于设计@@、开发@@、提供创新型微电子解决方案@@，帮助设计人员将@@设想顺利转化为@@完美契合未来需求的@@理想应用@@。Melexis拥有先进的@@混合信号半导体传感器和@@执行器@@188足彩外围@@app ，能够解决新一代产品及系统在@@集成@@感应@@、驱动和@@通信@@188足彩外围@@app 时@@遇到@@的@@种种挑战@@，不仅有助于增强产品与@@系统的@@安全性@@，提高效率@@，还有利于促进可持续性发展@@，提升使用@@便捷性@@。

Melexis是全球汽车@@半导体传感器行业的@@领先企业@@，目前全球生产的@@每辆新车平均搭载@@18颗我们的@@芯片@@。Melexis充分利用@@在@@汽车@@电子@@188足彩外围@@app 的@@核心经验@@，积极服务其他市场@@，包括@@移动出行@@、智能设备@@、智慧楼宇@@、机器人@@、能源管理和@@数字健康等@@。

Melexis总部位于比@@利时@@@@，在@@全球@@18座驻地拥有@@1900余名员工@@。公司已经在@@布鲁塞尔泛欧交易所@@（MELE）上市@@。官方网@@站@@：https://www.melexis.com

使用@@分立半导体@@器件的@@@@热管理@@设计@@

judy — Mon, 03 Apr 2023 07:02:16 +0000

作者@@：Toshiaki Hosoya,来源@@：All About Circuits官网@@@@

有几种方法@@可有效改善当@@今分立半导体@@在@@设计时@@遇到@@的@@高温问题@@。仿真技术对于衡量各种方法@@的@@工作情况@@至关重要@@。

众所周知@@，半导体芯片温度@@是不断上升的@@@@。其产生的@@热量会导致性能@@和@@功能出现严重问题@@。如图@@@@1所示@@，对于能够提供最佳热性能@@的@@表贴式封装@@产品的@@需求日益增长@@。

支持散热的@@热设计有很多种方法@@@@，但@@哪种方法@@的@@效果@@最好呢@@？

图@@1.该@@仿真中@@PKG3明显是发热问题的@@根源@@，这可以@@通过现代热设计方法来解决@@

分立半导体@@器件温度不断上升的@@背后有几个原因@@。一个是由于电子设备尺寸减小而导致的@@自散热减少@@；另一个是由于高密度@@板组装导致的@@环境工作温度升高@@。此外@@，追求更高速度的@@运行@@，也伴随着发热的@@增加@@。

缓解热问题的@@设计对策@@

有几种缓解温度问题的@@方法@@1。例如@@，多层@@PCB将@@影响电子器件的@@@@热设计@@，因为@@@@所产生的@@大部分@@热量将@@通过热传导分散到@@@@PCB的@@顶部和@@底部表面以@@及内部结构@@。增加层数@@可以@@有效提高功率@@耗散@@。然而@@这种方法@@主要在@@用上@@4到@@8层时@@@@才会高效@@，同时@@@@也会带来成@@本上升@@。

直接在@@@@PCB上安装散热器也可以@@散发@@PCB板上元器件产生的@@热量@@。但@@是散热量直接取决于散热器尺寸@@和@@散热器发射率@@@@。

加大散热器的@@尺寸@@看似可以@@有效加强散热@@，但@@同时@@@@必须考虑到@@尺寸和@@成@@本限制的@@平衡@@。用阳极氧化铝进行表面处理是提高散热器发射率@@的@@有效措施@@，但@@同样也受到@@成@@本的@@限制@@。

布线层@@、TIM和@@过孔@@

使用@@铜布线层@@可显著提高电路板本身的@@导热性@@。此外@@，增加布线层@@厚度可进一步增加有效散热的@@表面积@@，从而增强电路板的@@整体导热性@@。

当@@多个发热器件排成@@一排时@@@@，热干扰@@尤其明显@@。如果两个器件靠太近@@，则发热问题更大@@。虽然@@扩大器件的@@@@间隔会有所帮助@@，但@@距离过远会产生边际效应@@。另一个因素是@@TIM（热干扰@@材料@@）。使用@@较薄的@@@@TIM将@@有助于更有效的@@散热@@，但@@如果涉及到@@较小的@@电磁波干扰@@，其优化@@会更具挑战性@@。

过孔是@@PCB中用于在@@印刷电路板的@@各层之间建立电起连接的@@孔@@。位于漏极框架下方的@@内部过孔可非常有效地散热@@。同时@@@@，盲孔虽然@@散热效率不高@@，但@@可以@@很好地防止热量传导到@@周围区域@@。

仿真不同@@方法的@@效果@@@@

上述所有方法对于解决发热问题的@@能力并非完全相同@@，其有效性可能会因设计条件的@@不同@@而有很大差异@@。因此@@，东芝进行了仿真@@2，以@@评估@@各种热设计方法的@@效果@@以@@及产生最佳结果的@@参数@@。

有关模型和@@仿真细节的@@更多详细信息@@，请参阅应用说明@@《分立半导体@@器件热设计提示和@@技巧@@》第@@2部分@@3。请注意@@，这些@@仿真的@@好处之一是有机会使用@@通过物理测量所无法实现的@@模型和@@条件@@。

本次用于评估该@@热设计的@@器件模型使用@@东芝的@@@@SOP Advance4、TSON Advance5、和@@DSOP Advance6芯片封装@@@@，如下图@@@@2所示@@。

图@@2.通用仿真模型@@

PCB建模为@@@@2英寸正方形@@，仅对背面的@@阻焊剂进行建模@@。通过增加电路板材料@@（例如@@玻璃环氧树脂@@FR4）的@@发射率来模拟正面所存在@@的@@阻焊剂@@。战略性地选择该@@方法以@@降低表面网@@格的@@密度@@@@，同时@@@@保持与@@阻焊剂相同的@@效果@@@@。

基于@@最常用的@@@@PCB，该@@PCB厚度约为@@@@1.6mm。仿真中使用@@的@@标准@@PCB建模为@@@@四层@@，铜用作布线材料@@，所有铜布线厚度@@设置为@@@@70μm以@@进行评估@@。

过孔和@@散热器建模@@

过孔的@@建模为@@@@@@0.25 mm见方的@@热通孔@@，放置在@@封装@@中作为@@主要热路径的@@漏极布线上@@。放置在@@铜布线下方的@@过孔建模为@@@@内部过孔@@；外围的@@过孔则用作通孔@@。除了被参数化时@@@@，所有仿真都使用@@具有@@相同形状长方体建模的@@散热器@@。

对于热干扰@@模型@@，将@@三个相同器件放置在@@公共漏极布线上@@，并使用@@与@@前述单一器件仿真相同尺寸的@@@@PCB。

对于所有模型@@，使用@@TIM的@@物理特性值相同@@，且仅用过孔作为@@其厚度@@。将@@TIM（1）放置在@@铜布线和@@器件之间以@@及@@（2）放置在@@铜布线和@@散热器之间@@，以@@评估@@TIM的@@效果@@。

仿真结果@@

如图@@@@3所示@@，仿真精度在@@@@±5%的@@可接受范围内@@。

图@@3.MOSFET测得温度和@@模拟温度的@@比@@较@@@@

多层@@PCB

多层@@PCB的@@效果@@如图@@@@@@4所示@@。仿真结果@@表明@@，当@@PCB层数@@从@@4层增加到@@@@@@8层时@@@@，芯片温度@@降低了@@7%。主要问题在@@于成@@本增加@@。

图@@4.PCB层数@@VS芯片温度@@

PCB布线厚度@@

将@@布线厚度@@从@@70μm增加到@@@@105μm，芯片温度@@降低了@@6%。

散热器尺寸@@

对于没有散热器的@@设计@@，添加@@1cm高的@@散热器会使芯片温度@@降低@@12%。如果采用@@高度为@@@@2cm的@@散热器建模@@，将@@使得板温度降低@@19%。这种特定方法比@@仅依靠@@PCB散热更为@@有效@@。

散热器发射率@@

通过用阳极氧化铝处理表面@@，散热器的@@发射率可以@@从@@0.04增加到@@@@0.8。当@@实施这种散热器时@@@@，芯片温度@@降低了@@12%。虽然@@这种表面处理会非常有效@@，但@@显著增加了成@@本@@。

热干扰@@

对于一排三个器件@@，间隔为@@@@3mm时@@，芯片温度@@增加@@3%；但@@是当@@间隔为@@@@@@12mm时@@，温度没有增加@@。

TIM

对于较小的@@表面积@@，使用@@较薄的@@@@TIM比@@较@@有益@@；但@@如果是较大的@@表面积@@，情况@@就不同@@了@@。

漏极框架下方的@@过孔@@

经证明@@，与@@没有过孔的@@@@PCB相比@@@@，在@@漏极框架下方放置过孔非常有效@@。当@@添加@@三个过孔时@@@@，芯片温度@@降低了@@9%，而添加@@五个过孔时@@@@，芯片温度@@降低了@@12%。

外部过孔@@

与@@没有过孔的@@@@PCB相比@@@@，增加六个过孔使得芯片温度@@降低@@7%，而增加十个过孔则使得芯片温度@@降低@@10%。但@@值得注意的@@是@@，外部过孔@@的@@效果@@不如放在@@漏极框架下方的@@过孔@@@@。另一方面@@，使用@@外部过孔@@确实有一个很好的@@好处@@：它们可以@@防止热量传导到@@周围区域@@。

东芝半导体解决方案@@

并非所有表贴式封装@@都能提供同等的@@热设计和@@性能@@@@，这就是东芝积极开发@@能提供优异热性能@@的@@封装@@解决方案的@@原因@@，包括@@MOSFET封装@@7、SOP Advance封装@@8和@@仿真中使用@@的@@@@TO-247封装@@9。

东芝拥有采用@@了先进封装@@和@@实施完善热设计方法的@@半导体@@188足彩外围@@app 。东芝可以@@进行简化的@@热仿真@@，帮助您更好地了解设计的@@温度分布@@，并找到@@有效的@@方法以@@最大限度降低温度@@。联系他们@@，了解东芝如何帮助您解决设计中的@@@@热问题@@。

热管理@@：突破功率@@密度@@@@障碍的@@@@ 3 种方法@@

judy — Fri, 14 Oct 2022 08:17:48 +0000

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@@188足彩外围@@app “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. 工艺技术@@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@@工艺技术@@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 工艺技术@@，利用@@内部技术开发@@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@@工艺技术@@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@@。这就是工艺技术@@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. 电路设计技术@@

除了在@@工艺技术@@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@@188足彩外围@@app 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@@

要了解有关这些@@封装@@演变的@@更多信息@@，请参阅模拟设计期刊文章@@，“采用@@小型直流@@@@@@/直流@@@@转换器进行设计@@：HotRod QFN 与@@增强型@@ HotRod QFN 封装@@”。

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@@技术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@@@@@@。

其他资源@@

· 访问@@ www.ti.com/powerdensity 查找器件和@@技术资源来解决功率@@密度@@@@挑战@@。

· 观看我们的@@培训系列@@“了解功率@@密度@@@@的@@基础技术@@。”

· 借助@@ WEBENCHâ Power Designer 创建定制电源电路@@。

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@@销售模拟和@@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技术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@@技术变得更小@@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@@。欲了解更多信息@@，请访问@@@@公司网@@站@@www.ti.com.cn。