ZHCADK1 January 2024 TPS25981
引言
隨著服務器應用對功率需求的持續增長，電源設計人員需要在設計中融入更多功能，使設計脫穎而出。實現這一目標的限制因素包括電路板面積、元件功率能力和厚度。使用能夠以小尺寸提供更高功率水平的元件有助于實現更高的功率密度。隨著封裝尺寸、芯片尺寸縮小和總功率密度下降，預期的熱性能會迅速下降，除非優先考慮封裝創新來改善熱性能（更快地散熱）和減少功率損耗（產生更少熱量）。
服務器電源系統在寬環境溫度范圍（最高 70oC）下運行。熱插拔控制器或電子保險絲等元件可耐受 70°C 的高環境溫度。因此，當小型封裝產生大電流時，電源設計工程師需要關注這些器件的熱性能。
圖 1 企業服務器TPS25981
TPS25981 采用獨特的 Hotrod QFN 封裝。從功率密度的角度來看，帶有裸露電源/散熱焊盤的常規引線鍵合 QFN 是一種受歡迎的封裝。它們通常具有高電阻，因此產生的熱量較多。
在 TI 的 TPS25981 HotRod 互連中，硅片直接翻轉到引線框上，可以顯著減少互連寄生并降低功耗。雖然 HotRod 技術可以降低功耗，但與具有大外露焊盤的鍵合線 QFN 相比，它會產生不太理想的外露引線框圖案。
為了解決這個問題，在 TPS25981 中，在 IN 和 OUT 布線上放置了多個銅柱，以便將功率損耗最高的引腳轉換為長布線。這為 IN 和 OUT 引腳上的散熱提供了更大的面積，而且在 PCB 上的 IN 和 OUT 布線下方直接放置多個過孔，也有助于通過電路板底部散熱。
圖 2 TPS2595 采用標準 QFN通過鍵合線與
裸片電氣連接
圖 3 TPS25981 采用 HotRod 封裝，引線框和裸片之間有銅柱和倒裝芯片互連
TPS2595 是 TI 的第一代 4A 電子保險絲器件，可提供電源路徑保護，采用非常小的 WSON 2mm x 2mm 封裝。TPS2595 封裝技術的發展使得相同的封裝尺寸能夠容納更大的裸片，從而使 TPS25981 在不影響熱性能的情況下支持高達 10A 的電流。TPS25981 以相同的封裝尺寸提供 TPS2595 中的所有保護功能，并增加了 10A 的連續額定電流。
將 TPS25981 與競爭器件進行基準測試
為了進行比較，我們選擇了采用 2mm x 2mm 封裝、具有出色功率密度的競爭器件。在室溫下，TPS25981 和競爭器件各自的 EVM 均以 12V、10A 運行。競爭產品是一款 13.5V 負載開關，采用 DFN 8 引腳 2mm x 2mm 封裝，在 VIN=12V 時典型 RDSON 為 12.8mΩ。
圖 4 TPS25981EVM，VIN=12V，IOUT=10A
圖 5 競爭器件 EVM，VIN=12V，IOUT=10A
研究發現，競爭器件的外殼溫度比 TPS25981 器件高 30°C。由于結溫與外殼溫度成正比，這意味著競爭器件的 FET 結溫高于 TPS25981 器件。這證明 TPS25981 的熱性能優于競爭器件。盡管 TPS25981 支持高達 16V 的更高電壓，但與競爭產品相比，典型 RDSON 降低至 6mΩ，有助于提高熱性能。
由于 TPS25981 器件專為在高環境溫度下運行的服務器應用而設計，因此通過將 EVM 保留在熱處理室中，在 70°C 的環境溫度下重復了之前的測試。結果發現，競爭器件無法在 70°C 下支持 10A 電流。競爭器件由于內部的熱保護而關斷，這意味著內部 FET 達到 SOA 限制。TPS25981 器件能夠在 70°C 下支持 10A。
圖 6 競爭器件在 10A、70°C 下關斷
圖 7 TPS25981 在 10A、70°C 下持續運行
結論
TPS25981 憑借封裝創新能夠實現出色的功率密度。它解決了這些挑戰，并很好地順應企業服務器、密集型光端口保護和工業 PC 等終端設備的高電流和低 RDSON 趨勢。表 1 從功率密度的角度，突出顯示了 TPS25981、TPS2595 和競爭器件之間的主要區別。
| TPS2595 | TPS25981 | 競爭器件 | |
|---|---|---|---|
| 輸入電壓 | 2.7V 至 18V | 2.7V 至 16V | 0.5V 至 13.5V |
| 70°C 時的最大電流 | 4A | 10A | 9.5A |
| 12V 時的 RDSON（典型值） | 34mΩ | 6mΩ | 12.8mΩ |
| 70°C 時的最大電流/面積 | 1A/mm2 | 2.5A/mm2 | 2.37A/mm2 |
| 封裝 | QFN，2mm x 2mm | QFN-HR，2mm x 2mm | DFN，2mm x 2mm |