隨著技術的飛速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)及汽車等領域?qū)δ透邷?a target="_blank">集成電路（IC）的需求持續(xù)攀升?。高溫環(huán)境會嚴重制約集成電路的性能、可靠性和安全性，亟需通過創(chuàng)新技術手段攻克相關技術難題?。

這份白皮書致力于探討高溫對集成電路的影響，并提供適用于高功率的設計技術以應對這些挑戰(zhàn)。我們陸續(xù)介紹了這些干貨知識：工作溫度，包括環(huán)境溫度和結(jié)溫等。高結(jié)溫帶來的挑戰(zhàn)。IC的高溫設計原則。本文將繼續(xù)介紹高溫設計的優(yōu)勢。

高溫設計的優(yōu)勢

能夠在高溫下工作的集成電路具有多種優(yōu)勢。它們可以在汽車和航空航天等環(huán)境溫度超過 150°C 的苛刻環(huán)境中可靠運行。這些設計通常非常穩(wěn)健，包括溫度保護電路，不易發(fā)生熱失控和其他溫度引起的故障，從而提高了系統(tǒng)的整體可靠性。通過耐受更高的溫度，這些電路可以減少或消除對復雜冷卻系統(tǒng)的需求，從而提供更簡單、更具成本效益的解決方案。

?熱管理

熱管理對電子系統(tǒng)的設計和運行至關重要，可確保性能和可靠性?？衫蒙崞?、液體冷卻和改善空氣流通等方法加強散熱來降低結(jié)溫。然而，這些方法也會增加電子模塊的重量、尺寸和成本。

在大功率應用中，如功率開關和電動引擎等部件需要主動冷卻。使用標溫較高的冷卻劑可以減少對大型散熱器的需求，從而提高效率，但同時也要求元件能夠承受更高的溫度。碳化硅（SiC）功率開關適用于這些條件。在高溫條件下工作并靠近功率晶體管安裝的預驅(qū)動器是必不可少的，尤其是在汽車應用中，因為它們可以共享發(fā)動機冷卻回路。無需特殊冷卻即可在較高環(huán)境溫度下工作的電路在各行各業(yè)都具有巨大的潛力。

電源管理對于傳感器等低功耗應用也至關重要，盡管這些應用的功率不高，但熱管理仍然具有挑戰(zhàn)性。這是因為傳感器尺寸超小、塑料外殼、無法添加散熱片等因素導致散熱不佳。額外的熱管理會大大增加電子模塊的成本、尺寸和重量。在這種情況下，從裸片到環(huán)境的熱阻可達每瓦幾十到幾百攝氏度。驅(qū)動傳感器執(zhí)行器和處理傳感器數(shù)據(jù)可能需要一定的功率，這會使裸片溫度比環(huán)境溫度高出幾十攝氏度。這就需要能夠承受高溫的 IC 來實現(xiàn)沒有這些熱管理措施的應用。

另一個例子是由汽車電池直接供電的車用 IC。這可能是 12V 電池，或越來越常見的 48V 電池。在電路內(nèi)部，IC 信號處理的電壓可能僅需 1.2V，而從汽車電池到 IC 的線性穩(wěn)壓器消耗了大部分功耗。對于小負載來說，增加一個帶有外部線圈的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器以提高效率既不實際也不經(jīng)濟。如果線性穩(wěn)壓器可以在高溫下工作，則能夠節(jié)省模塊的成本和重量。

?過溫保護

過溫保護或熱關斷（Thermal Shutdown，TSD）對集成電路至關重要，可防止 IC 及其外部元件損壞，確保可靠性和安全性。環(huán)境溫度過高、功耗過大、熱管理不善或故障導致過載等因素都可能觸發(fā)過溫保護。當 IC 的結(jié)溫超過預設閾值時，熱關斷機制就會啟動，自動關閉 IC 的高功耗部分或整個芯片，以防止溫度進一步升高及造成損壞。

一旦 IC 冷卻到安全溫度，它可以自動重新啟動之前關閉的部分或整個 IC，在確保保護的同時最大限度地減少停機時間。這種機制對于維持 IC 的可靠性和使用壽命至關重要，可保護 IC 免受外部故障、過載或溫度波動的影響。

有功能安全要求的產(chǎn)品也需要 TSD。也可使用具有功率降額功能的熱監(jiān)測或熱預警。

TSD 應當保護 IC 免受熱失控的影響，以形成一個正反饋。循環(huán)熱失控發(fā)生在 IC 產(chǎn)生的熱量超過其散熱能力時，導致溫度不可控地上升。高溫會增加結(jié)和亞閾值泄漏，降低 MOS 晶體管的性能，并提高功率耗散。

如果缺乏 TSD 的保護，這一循環(huán)將持續(xù)到 IC 過熱，可能導致故障、壽命縮短或安全隱患，包括火災或爆炸。

TSD 級別的設置通常略高于最高工作溫度，以便偶爾出現(xiàn)溫度偏差時不會造成不必要的關機，但也要足夠低，以便有效控制和關閉功率耗散部分。例如，如果最高工作溫度為 165°C，考慮到 TSD 電路的制造容差，TSD 級別可設置在 170°C 至 185°C 之間。正確設置這一閾值對于平衡電子設計中的性能和安全性至關重要。

TSD 電路及其所有由該機制控制的相關模塊必須設計為能夠在最大 TSD 溫度以及額外的安全裕度范圍內(nèi)可靠工作。這個安全裕度考慮了芯片上的溫度梯度，即功率器件與溫度傳感器之間的溫差。根據(jù)布局的不同以及使用的功率器件和傳感器的數(shù)量，傳感器可以放置在功率器件內(nèi)部、旁邊或更遠的位置。此外，裕量還考慮了從溫度上升到傳感器檢測到過熱并關閉受影響的功率晶體管之間的延遲所導致的溫度上升。這確保了即使在極端過熱情況下，保護功能仍然能夠保持有效運作。因此，TSD 電路必須在比 IC 其余部分更高的溫度下保持工作狀態(tài)，即超過最大工作結(jié)溫。

圖 1. 保護電路的工作溫度范圍

?功耗 - 性能 - 面積

對 IC 進行優(yōu)化，需要在功耗、性能和面積（PPA）這三個指標之間做出權衡。例如，提高性能會導致更高的功耗或更大的尺寸。相反，降低功耗可能會限制性能或需要更多的面積來添加節(jié)能元器件。提高最大工作溫度可以擴大功耗空間，從而為性能提升或面積優(yōu)化提供更多余地。

設計能在更高溫度下可靠工作的 IC 實際上是一種性能的提升，因為它延長了使用壽命并降低了故障率。減少對大量冷卻解決方案的需求可以降低系統(tǒng)的整體成本、復雜性和重量，從而實現(xiàn)更加緊湊和經(jīng)濟高效的設計。

高溫工作能力使得在功耗、性能和面積之間進行的權衡更容易，同時也有助于提升整體的 PPA（功耗 - 性能 - 面積）評分。

結(jié)語

安森美（onsemi）Treo 平臺提供了一個專為高溫運行而設計的全面生態(tài)系統(tǒng)。包括先進的技術、器件模型和嚴格的認證流程。Treo 中的所有 IP 都經(jīng)過精心設計，可在高達 175°C 的寬溫度范圍內(nèi)工作。該平臺具有熱監(jiān)測和熱關斷電路功能，確保性能可靠。熱監(jiān)測和熱關斷保護所需的模塊經(jīng)過設計和驗證，最高溫度可達 200℃。

此外，安森美 Treo 平臺還有助于開發(fā)出能夠在惡劣的環(huán)境條件下工作的高性價比解決方案。它還提供了優(yōu)化熱管理的機會，從而設計出高性能、高可靠性的產(chǎn)品。