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隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)及汽車等領(lǐng)域?qū)δ透邷?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF/">集成電路（IC）的需求持續(xù)攀升?。高溫環(huán)境會(huì)嚴(yán)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(shù)手段攻克相關(guān)技術(shù)難題?。
這份白皮書致力于探討高溫對(duì)集成電路的影響，并提供適用于高功率的設(shè)計(jì)技術(shù)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。我們陸續(xù)介紹了這些干貨知識(shí)：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(shè)計(jì)原則。本文將繼續(xù)介紹高溫設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。
高溫設(shè)計(jì)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(yùn)行。這些設(shè)計(jì)通常非常穩(wěn)健，包括溫度保護(hù)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(duì)復(fù)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(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)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(qiáng)散熱來降低結(jié)溫。然而，這些方法也會(huì)增加電子模塊的重量、尺寸和成本。
在大功率應(yīng)用中，如功率開關(guān)和電動(dòng)引擎等部件需要主動(dòng)冷卻。使用標(biāo)溫較高的冷卻劑可以減少對(duì)大型散熱器的需求，從而提高效率，但同時(shí)也要求元件能夠承受更高的溫度。碳化硅（SiC）功率開關(guān)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(yù)驅(qū)動(dòng)器是必不可少的，尤其是在汽車應(yīng)用中，因?yàn)樗鼈兛梢怨蚕戆l(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于傳感器等低功耗應(yīng)用也至關(guān)重要，盡管這些應(yīng)用的功率不高，但熱管理仍然具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)閭鞲衅鞒叽绯?、塑料外殼、無法添加散熱片等因素導(dǎo)致散熱不佳。額外的熱管理會(huì)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(dá)每瓦幾十到幾百攝氏度。驅(qū)動(dòng)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(huì)使裸片溫度比環(huán)境溫度高出幾十?dāng)z氏度。這就需要能夠承受高溫的 IC 來實(shí)現(xiàn)沒有這些熱管理措施的應(yīng)用。
另一個(gè)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(hào)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(duì)于小負(fù)載來說，增加一個(gè)帶有外部線圈的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器以提高效率既不實(shí)際也不經(jīng)濟(jì)。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(hù)
過溫保護(hù)或熱關(guān)斷（Thermal Shutdown，TSD）對(duì)集成電路至關(guān)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(dǎo)致過載等因素都可能觸發(fā)過溫保護(hù)。當(dāng) IC 的結(jié)溫超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，熱關(guān)斷機(jī)制就會(huì)啟動(dòng)，自動(dòng)關(guān)閉 IC 的高功耗部分或整個(gè)芯片，以防止溫度進(jìn)一步升高及造成損壞。
一旦 IC 冷卻到安全溫度，它可以自動(dòng)重新啟動(dòng)之前關(guān)閉的部分或整個(gè) IC，在確保保護(hù)的同時(shí)最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。這種機(jī)制對(duì)于維持 IC 的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，可保護(hù) IC 免受外部故障、過載或溫度波動(dòng)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(yù)警。
TSD 應(yīng)當(dāng)保護(hù) IC 免受熱失控的影響，以形成一個(gè)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(shí)，導(dǎo)致溫度不可控地上升。高溫會(huì)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(hù)，這一循環(huán)將持續(xù)到 IC 過熱，可能導(dǎo)致故障、壽命縮短或安全隱患，包括火災(zāi)或爆炸。
TSD 級(jí)別的設(shè)置通常略高于最高工作溫度，以便偶爾出現(xiàn)溫度偏差時(shí)不會(huì)造成不必要的關(guān)機(jī)，但也要足夠低，以便有效控制和關(guān)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(jí)別可設(shè)置在 170°C 至 185°C 之間。正確設(shè)置這一閾值對(duì)于平衡電子設(shè)計(jì)中的性能和安全性至關(guān)重要。
TSD 電路及其所有由該機(jī)制控制的相關(guān)模塊必須設(shè)計(jì)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(gè)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(yuǎn)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(guān)閉受影響的功率晶體管之間的延遲所導(dǎo)致的溫度上升。這確保了即使在極端過熱情況下，保護(hù)功能仍然能夠保持有效運(yùn)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(hù)電路的工作溫度范圍
?功耗 - 性能 - 面積
對(duì) IC 進(jìn)行優(yōu)化，需要在功耗、性能和面積（PPA）這三個(gè)指標(biāo)之間做出權(quán)衡。例如，提高性能會(huì)導(dǎo)致更高的功耗或更大的尺寸。相反，降低功耗可能會(huì)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(kuò)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(shè)計(jì)能在更高溫度下可靠工作的 IC 實(shí)際上是一種性能的提升，因?yàn)樗娱L了使用壽命并降低了故障率。減少對(duì)大量冷卻解決方案的需求可以降低系統(tǒng)的整體成本、復(fù)雜性和重量，從而實(shí)現(xiàn)更加緊湊和經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。
高溫工作能力使得在功耗、性能和面積之間進(jìn)行的權(quán)衡更容易，同時(shí)也有助于提升整體的 PPA（功耗 - 性能 - 面積）評(píng)分。
結(jié)語
安森美（onsemi）Treo 平臺(tái)提供了一個(gè)專為高溫運(yùn)行而設(shè)計(jì)的全面生態(tài)系統(tǒng)。包括先進(jìn)的技術(shù)、器件模型和嚴(yán)格的認(rèn)證流程。Treo 中的所有 IP 都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可在高達(dá) 175°C 的寬溫度范圍內(nèi)工作。該平臺(tái)具有熱監(jiān)測和熱關(guān)斷電路功能，確保性能可靠。熱監(jiān)測和熱關(guān)斷保護(hù)所需的模塊經(jīng)過設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，最高溫度可達(dá) 200℃。
此外，安森美 Treo 平臺(tái)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(jià)比解決方案。它還提供了優(yōu)化熱管理的機(jī)會(huì)，從而設(shè)計(jì)出高性能、高可靠性的產(chǎn)品。
