高溫IC設計必懂基礎知識：高溫設計的優勢

隨著技術的飛速發展，商業、工業及汽車等領域對耐高溫積體電路（IC）的需求持續攀升 。 高溫環境會嚴重制約積體電路的性能、可靠性和安全性，亟需透過創新技術手段攻克相關技術難題。

安森美提供適用於高功率的設計技術以應對這些挑戰，以下將介紹高溫設計的優勢。

高溫設計的優勢

能夠在高溫下工作的積體電路具有多種優勢。 它們可以在汽車和航空航太等環境溫度超過 150°C 的苛刻環境中可靠運行。這些設計通常非常穩健，包括溫度保護電路，不易發生熱失控和其他溫度引起的故障，從而提高了系統的整體可靠性。 透過耐受更高的溫度，這些電路可以減少或消除對複雜冷卻系統的需求，從而提供更簡單、更具成本效益的解決方案。

▷熱管理

熱管理對電子系統的設計和運行至關重要，可確保性能和可靠性。 可利用散熱器、液體冷卻和改善空氣流通等方法加強散熱來降低結溫。然而，這些方法也會增加電子模組的重量、尺寸和成本。

在大功率應用中，如功率開關和電動引擎等零組件需要主動冷卻。 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。 碳化矽（SiC）功率開關適用於這些條件。在高溫條件下工作並靠近功率電晶體安裝的預驅動器是必不可少的，尤其是在汽車應用中，因為它們可以共享發動機冷卻迴路。 無需特殊冷卻即可在較高環境溫度下工作的電路在各產業都具有巨大的潛力。

電源管理對於感測器等低功耗應用也至關重要，儘管這些應用的功率不高，但熱管理仍然具有挑戰性。 這是因為感測器尺寸超小、塑膠外殼、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組的成本、尺寸和重量。 在這種情況下，從裸片到環境的熱阻可達每瓦數十到數百℃。 驅動感測器執行器和處理感測器數據可能需要一定的功率，這會使裸片溫度比環境溫度高出數十℃。這就需要能夠承受高溫的IC來實現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。 在電路內部，IC 訊號處理的電壓可能僅需 1.2V，而從汽車電池到 IC 的線性穩壓器消耗了大部分功耗。對於小負載來說，增加一個帶有外部線圈的DC-DC轉換器以提高效率既不實際也不經濟。 如果線性穩壓器可以在高溫下工作，則能夠節省模組的成本和重量。

▷過溫保護

過溫保護或熱關斷（ThermalShutdown，TSD）對積體電路至關重要，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過溫保護。 當IC的結溫超過預設閾值時，熱關斷機制就會啟動，自動關閉IC的高功耗部分或整個晶片，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。這種機制對於維持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品也需要TSD。 也可使用具有功率降額功能的熱監測或熱預警。

TSD 應當保護IC免受熱失控的影響，以形成一個正反饋。迴圈熱失控發生在IC產生的熱量超過其散熱能力時，導致溫度不可控地上升。高溫會增加結和亞閾值洩漏，降低MOS 電晶體的性能，並提高功率耗散。

如果缺乏 TSD 的保護，這一迴圈將持續到 IC 過熱，可能導致故障、壽命縮短或安全隱憂，包括火災或爆炸。

TSD 級別的設置通常略高於最高工作溫度，以便偶爾出現溫度偏差時，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 電路的製造容差，TSD 級別可設置在 170°C 至 185°C 之間。 正確設置這一閾值對於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組，必須設計為能夠在最大 TSD 溫度以及額外的安全裕度範圍內可靠工作。這個安全裕度考慮了晶元上的溫度梯度，即功率元件與溫度感測器之間的溫差。 根據佈局的不同以及使用的功率元件和感測器的數量，感測器可以放置在功率元件內部、旁邊或更遠的位置。此外，裕量還考慮了從溫度上升到感測器檢測到過熱並關閉受影響的功率電晶體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其餘部分更高的溫度下保持工作狀態，即超過最大工作結溫。

圖 1. 保護電路的工作溫度範圍

▷功耗 - 性能 - 面積

對IC進行改良，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能元件。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改善提供更多餘地。

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並降低了故障率。 減少對大量冷卻解決方案的需求可以降低系統的整體成本、複雜性和重量，從而實現更加緊湊和經濟高效的設計。

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，同時也有助於提升整體的 PPA（功耗 - 性能 - 面積）評分。

結語

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系統。 包括先進的技術、元件模型和嚴格的認證流程。 Treo 中的所有 IP 都經過精心設計，可在高達 175°C 的寬溫度範圍內工作。該平臺具有熱監測和熱關斷電路功能，確保性能可靠。 熱監測和熱關斷保護所需的模組經過設計和驗證，最高溫度可達 200°C。

此外，安森美 Treo 平臺還有助於開發出能夠在惡劣的環境條件下工作的高性價比解決方案。 它還提供了優化熱管理的機會，從而設計出高性能、高可靠性的產品。

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關於安森美（onsemi）

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