【氮化镓专栏】NV612X GaNFast™ 功率半导体器件的热处理
2020-06-08 11:58:51
小亿
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介绍
最新的纳微GaNFast™ 电源集成电路NV6123/25/27，集成在6mmx8mm 的QFN封装内。这个封装增加了一个大的冷却片，用于降低封装的热阻和提高散热性能。
这种封装使高密度电源的设计更加可靠，特别是对于没有气流的全封闭充电器和适配器应用中。能够充分利用这些热效益，就必须在PCB布局、热接口和散热，全部设计妥当。正确的热管理可以最大限度地提高使用GaN功率电路时的效率和功率密度。
本文介绍PCB布局指南和示例，以帮助设计师设计；提供NV612X（3/5/7）的封装图，供工程师朋友设计电源layout 使用。
概述
普遍的NV6113/15/17 GaN功率器件(QFN 5x6mm )设计在各种高密度PD电源。对于具有更具挑战性的热环境的设计，这个更大的QFN 6x8mm GaN功率器件产品能更有效地去除热量。新的6x8 mm QFN封装的集成电路引脚包括（见图1）漏极（D）、源极（S）、控制管脚和一个大的冷却片（CP）。
图1 带有CP的NV6125 GaN 功率IC
控制管脚栅极驱动和GaN功率FET的开/关控制，并且外部功率转换电路的大部分开关电流从漏极流过GaN功率FET，并流向源管脚。一小部分开关电流确实流过芯片的硅衬底，并通过衬底流出。在封装内部，集成电路直接安装在冷却片上。图2所示。
图2NV6125工作原理电流示意图 图3 带CP的NV6125 PCB示意图
因此，GaN功率管的功率损耗产生的热量必须通过冷却片（CP）、焊料和PCB排出。图3所示。
尽可能多地使用铜来连接封装焊接层增加散热面积是有帮助的。
使用热通孔将热量传递到PCB的另一侧或具有大铜平面的内层，然后在那里进行扩散和冷却。
冷却片连接到芯片基板，芯片基板可以相对于源极电平浮动+/-10V。
对于使用电流检测电阻的应用（CS采样），冷却片可以连接（图4）到源极引脚（在电流检测电阻RCS的顶部），或者连接到PGND以获得额外的PCB散热面积。
图4 带有冷却片的简化示意图（连接到源极和连接到PGND）
PCB指南（不带CS检测电阻）
在设计氮化镓GaN功率电路的PCB版图时，为了达到可接受的器件温度，必须遵循几个准则。
必须使用热通孔将热量从顶层IC焊盘传导到底层，并使用大面积铜进行PCB散热。
以下布局步骤和说明了最佳实践布局，以实现最佳的IC热性能。
1）将GaNIC 6x8 mm QFN封装在PCB顶层。
2） 将控制所需的附加SMD部件放置在顶层（CVCC、CVDD、RDD、DZ）。将SMD部件尽可能靠近IC引脚！
3） 布置SMD部件、控制的走线连接全部垫在顶层。
4） 在冷却片和侧面的顶层放置大型铜区域。
5） 在冷却片内部和侧面放置热通孔。
6）在所有其他层（底部、mid1、mid2等）上放置较大的铜区域
PCB指南（带CS检测电阻）
当使用放置在电源和PGND之间的电流检测电阻Rcs时，浮动冷却片允许PCB铜区延伸穿过电流检测电阻Rcs并直接连接到PGND。
当设计带有CS检测电阻的PCB时，应遵循以下步骤：
1） 将GaN IC 6x8 mm PQFN封装在PCB顶层。
2） 将控制所需的附加SMD部件放置在顶层（CVCC、CVDD、RDD、DZ）。将SMD部件尽可能靠近IC引脚！
3） 在顶层布置SMD组件、控制管脚和源极管脚的连接。
4） 在冷却片和侧边的顶层放置大型铜区域。
5） 在冷却片内部和侧边放置热通孔。
6） 在所有其他层（底部、mid1、mid2等）上放置较大的铜区域。
7）用通孔将冷却片铜区电位连接到PGND。
NV6125与NV6115热比较
在65w高频准谐振反激演示板上测试和比较了NV6125（6x8mm）和NV6115（5x6mm）的热性能。
两个部分在相似的交流输入、直流输出和效率条件下进行了测试。通过遵循推荐的PCB布局指南，对两个GaN 功率IC的PCB布局进行了优化。
结果表明，在低压AC 90V输入和满负荷条件下，NV6125在其外壳温度降低9.4摄氏度。
NV6125 vs NV6115 Thermal Comparison (65 W HFQR, Ta =25 C)
产品选择指南
下表显示了纳微针对不同电路拓扑和功率水平的GaN器件选型建议（仅限典型）。
注明：本文来自亿思腾达FAE工程师的分享，仅供学习交流使用！
亿思腾达简介：
深圳亿思腾达集成股份有限公司成立于1998年，作为国家高新技术企业&中国电源与传感芯片集成服务商，专注电源管理和传感芯片集成服务20年，立足于多种自主研发的智能传感方案、特色照明方案，提供量产落地支持、核心器件供应、特色模组供应等商务模式，力求为客户提供优质全面的IC解决方案，帮助人们创造安全、节能、美好的高科技产品，实现亿思腾达让电子产品AI起来。
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