高温IC设计必懂基础知识：高温设计的优势

　　随着技术的飞速发展，商业、工业及汽车等领域对耐高温集成电路(IC)的需求持续攀升‌。高温环境会严重制约集成电路的性能、可靠性和安全性，亟需通过创新技术手段攻克相关技术难题‌。

　　这份白皮书致力于探讨高温对集成电路的影响，并提供适用于高功率的设计技术以应对这些挑战。本文将介绍高温设计的优势。

　　高温设计的优势

　　能够在高温下工作的集成电路具有多种优势。它们可以在汽车和航空航天等环境温度超过 150°C 的苛刻环境中可靠运行。这些设计通常非常稳健，包括温度保护电路，不易发生热失控和其他温度引起的故障，从而提高了系统的整体可靠性。通过耐受更高的温度，这些电路可以减少或消除对复杂冷却系统的需求，从而提供更简单、更具成本效益的解决方案。

　　▷热管理

　　热管理对电子系统的设计和运行至关重要，可确保性能和可靠性。可利用散热器、液体冷却和改善空气流通等方法加强散热来降低结温。然而，这些方法也会增加电子模块的重量、尺寸和成本。

　　在大功率应用中，如功率开关和电动引擎等部件需要主动冷却。使用标温较高的冷却剂可以减少对大型散热器的需求，从而提高效率，但同时也要求元件能够承受更高的温度。碳化硅(SiC)功率开关适用于这些条件。在高温条件下工作并靠近功率晶体管安装的预驱动器是必不可少的，尤其是在汽车应用中，因为它们可以共享发动机冷却回路。无需特殊冷却即可在较高环境温度下工作的电路在各行各业都具有巨大的潜力。

　　电源管理对于传感器等低功耗应用也至关重要，尽管这些应用的功率不高，但热管理仍然具有挑战性。这是因为传感器尺寸超小、塑料外壳、无法添加散热片等因素导致散热不佳。额外的热管理会大大增加电子模块的成本、尺寸和重量。在这种情况下，从裸片到环境的热阻可达每瓦几十到几百摄氏度。驱动传感器执行器和处理传感器数据可能需要一定的功率，这会使裸片温度比环境温度高出几十摄氏度。这就需要能够承受高温的 IC 来实现没有这些热管理措施的应用。

　　另一个例子是由汽车电池直接供电的车用 IC。这可能是 12V 电池，或越来越常见的 48V 电池。在电路内部，IC 信号处理的电压可能仅需 1.2V，而从汽车电池到 IC 的线性稳压器消耗了大部分功耗。对于小负载来说，增加一个带有外部线圈的 DC-DC 转换器以提高效率既不实际也不经济。如果线性稳压器可以在高温下工作，则能够节省模块的成本和重量。

　　▷过温保护

　　过温保护或热关断(Thermal Shutdown，TSD)对集成电路至关重要，可防止 IC 及其外部元件损坏，确保可靠性和安全性。环境温度过高、功耗过大、热管理不善或故障导致过载等因素都可能触发过温保护。当 IC 的结温超过预设阈值时，热关断机制就会启动，自动关闭 IC 的高功耗部分或整个芯片，以防止温度进一步升高及造成损坏。

　　一旦 IC 冷却到安全温度，它可以自动重新启动之前关闭的部分或整个 IC，在确保保护的同时最大限度地减少停机时间。这种机制对于维持 IC 的可靠性和使用寿命至关重要，可保护 IC 免受外部故障、过载或温度波动的影响。

　　有功能安全要求的产品也需要 TSD。也可使用具有功率降额功能的热监测或热预警。

　　TSD 应当保护 IC 免受热失控的影响，以形成一个正反馈。循环热失控发生在 IC 产生的热量超过其散热能力时，导致温度不可控地上升。高温会增加结和亚阈值泄漏，降低 MOS 晶体管的性能，并提高功率耗散。

　　如果缺乏 TSD 的保护，这一循环将持续到 IC 过热，可能导致故障、寿命缩短或安全隐患，包括火灾或爆炸。

　　TSD 级别的设置通常略高于最高工作温度，以便偶尔出现温度偏差时不会造成不必要的关机，但也要足够低，以便有效控制和关闭功率耗散部分。例如，如果最高工作温度为 165°C，考虑到 TSD 电路的制造容差，TSD 级别可设置在 170°C 至 185°C 之间。正确设置这一阈值对于平衡电子设计中的性能和安全性至关重要。

　　TSD 电路及其所有由该机制控制的相关模块必须设计为能够在最大 TSD 温度以及额外的安全裕度范围内可靠工作。这个安全裕度考虑了芯片上的温度梯度，即功率器件与温度传感器之间的温差。根据布局的不同以及使用的功率器件和传感器的数量，传感器可以放置在功率器件内部、旁边或更远的位置。此外，裕量还考虑了从温度上升到传感器检测到过热并关闭受影响的功率晶体管之间的延迟所导致的温度上升。这确保了即使在极端过热情况下，保护功能仍然能够保持有效运作。因此，TSD 电路必须在比 IC 其余部分更高的温度下保持工作状态，即超过最大工作结温。

图 1. 保护电路的工作温度范围

　　▷功耗 - 性能 - 面积

　　对 IC 进行优化，需要在功耗、性能和面积(PPA)这三个指标之间做出权衡。例如，提高性能会导致更高的功耗或更大的尺寸。相反，降低功耗可能会限制性能或需要更多的面积来添加节能元器件。提高最大工作温度可以扩大功耗空间，从而为性能提升或面积优化提供更多余地。

　　设计能在更高温度下可靠工作的 IC 实际上是一种性能的提升，因为它延长了使用寿命并降低了故障率。减少对大量冷却解决方案的需求可以降低系统的整体成本、复杂性和重量，从而实现更加紧凑和经济高效的设计。

　　高温工作能力使得在功耗、性能和面积之间进行的权衡更容易，同时也有助于提升整体的 PPA(功耗 - 性能 - 面积)评分。