在现代电子技术领域，能够适应高温环境的集成电路设计正逐渐成为行业关注的焦点。此类集成电路在多种应用场景中展现出独特优势，尤其在汽车、航空航天等对环境温度要求极为苛刻的领域，其价值更为凸显。以下将从多个维度深入剖析高温集成电路设计的关键优势及其在实际应用中的表现。
一、高温环境下的可靠性与稳健性
能够在高温条件下稳定运行的集成电路，凭借其卓越的耐高温特性，可在诸如汽车发动机舱、航空航天飞行器等环境温度轻松超过 150°C 的极端场景中保持可靠工作。这些电路设计通常极为稳健，内部集成了精巧的温度保护机制，能够有效抵御热失控以及其他各类由温度引发的故障风险，从而显著提升整个系统的可靠性水平。通过耐受更高温度，这些电路在实际应用中可大幅减少甚至完全消除对复杂冷却系统的依赖需求，进而为用户提供更简化、更具成本效益的解决方案，优化系统设计与运行成本结构。
二、热管理策略及其挑战
热管理作为保障电子系统性能与可靠性的关键环节，其重要性不言而喻。为确保电子设备在高温环境下正常运行，常采用散热器、液体冷却以及改善空气流通等多种散热手段来有效降低结温。然而，这些传统散热方法往往会带来电子模块重量、尺寸以及成本的显著增加，对设备的设计与制造提出更高要求。
在大功率应用场景下，如功率开关、电动引擎等关键部件，通常需要配备主动冷却系统。此时，使用沸点温度较高的冷却剂可有效降低对大型散热器的依赖程度，从而提升整体效率。但与此同时，这也对电子元件的耐高温性能提出了更高要求。例如，碳化硅（SiC）功率开关因其出色的耐高温特性，在此类应用场景中表现出色。此外，在汽车应用领域，靠近功率晶体管安装且能在高温条件下工作的预驱动器也显得尤为关键，它们能够与发动机冷却回路共享散热资源，实现高效散热与空间优化。
对于低功耗应用，如各类传感器，尽管其功率消耗相对较低，但热管理依然面临诸多挑战。由于传感器通常具有超小尺寸、采用塑料外壳封装，且无法便捷地添加散热片等散热结构，导致其散热性能较差。额外的热管理措施虽可提升散热效果，但会显著增加电子模块的成本、尺寸与重量。在这些应用场景中，从裸片到环境的热阻可达每瓦几十到几百摄氏度不等。当驱动传感器执行器以及处理传感器数据时，所需功率会使裸片温度较环境温度高出几十摄氏度。因此，为了实现无需额外热管理措施的应用场景，迫切需要能够承受高温环境的集成电路来满足实际需求。
以车用集成电路为例，其通常由汽车电池直接供电，可能是常见的 12V 电池，或在越来越多的应用场景中采用的 48V 电池。在电路内部，IC 信号处理所需的电压往往仅为 1.2V 左右，而从汽车电池到 IC 的线性稳压器承担了大部分的功耗。对于小负载应用场景而言，增加带有外部线圈的 DC-DC 转换器以提升效率既不经济也不切实际。若线性稳压器具备在高温环境下稳定工作的能力，则可有效节省模块的成本与重量，优化整体设计。
三、过温保护机制的关键作用
过温保护，即热关断（Thermal Shutdown，TSD）机制，对于集成电路的可靠运行与安全保障具有不可替代的重要性。它可以有效防止集成电路及其外部元件因过热而遭受损坏，确保系统的可靠性和安全性。在实际应用中，环境温度过高、功耗过大、热管理不善或故障导致过载等多种因素都有可能触发过温保护机制。一旦集成电路的结温超出预设的阈值范围，热关断机制将迅速启动，自动关闭集成电路的高功耗部分或整个芯片，从而避免温度进一步升高造成不可逆的损坏。
当集成电路冷却至安全温度区间后，它能够自动重新启动之前因过温而关闭的部分或整个芯片，在确保有效保护的同时，最大限度地减少因过温保护导致的停机时间。这一机制对于维持集成电路的长期可靠性和使用寿命具有至关重要的作用，能够有效抵御外部故障、过载以及温度波动等不利因素的影响。
对于具备功能安全要求的产品，过温保护机制更是不可或缺。除了基本的热关断功能外，一些先进的集成电路还配备了具有功率降额功能的热监测或热预警系统，以进一步提升系统的安全性和可靠性。
在设置 TSD 级别时，需要综合考虑多种因素。通常情况下，TSD 级别的设定值略高于集成电路的最高工作温度，以避免因偶尔出现的温度偏差而导致不必要的关机。然而，该设定值也必须足够低，以确保能够及时有效地控制和关闭功率耗散部分，防止温度持续上升造成损坏。例如，若集成电路的最高工作温度为 165°C，考虑到 TSD 电路的制造容差以及实际应用中的温度波动情况，TSD 级别可合理设置在 170°C 至 185°C 之间。正确设置这一阈值对于在电子设计中平衡性能与安全性具有极其重要的意义。
此外，TSD 电路及其所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保持可靠工作状态。这一安全裕度的设定需要综合考虑芯片上的温度梯度，即功率器件与温度传感器之间的温差。根据不同的布局设计以及所使用的功率器件和传感器的数量，温度传感器可放置在功率器件内部、旁边或更远的位置。同时，安全裕度还需考虑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。通过这些精细的设计考量，确保即使在极端过热情况下，过温保护功能仍能有效运作，为集成电路提供全方位的保护。
四、功耗 - 性能 - 面积（PPA）优化平衡
在集成电路设计过程中，功耗、性能和面积（PPA）是三个关键的优化指标，它们之间存在着紧密的相互关联与权衡关系。例如，追求更高的性能往往会导致功耗的增加或尺寸的扩大。相反，降低功耗可能会对性能产生一定的限制，或者需要增加更多的面积来集成节能元器件。而提高集成电路的最大工作温度，则可以有效扩大功耗空间，为性能提升或面积优化提供更多的灵活性和余地。
设计能够在更高温度下稳定可靠工作的集成电路，实际上是一种性能的显著提升。这不仅可以延长集成电路的使用寿命，还能有效降低故障发生率。同时，通过减少对大量冷却解决方案的依赖需求，可进一步降低整个系统的成本、复杂性和重量，实现更加紧凑、经济高效的设计方案。
综上所述，高温集成电路设计凭借其在可靠性、热管理、过温保护以及 PPA 优化等方面的卓越表现，为现代电子设备在高温环境下的稳定运行提供了坚实的技术支撑。随着科技的不断进步与创新，高温集成电路设计将在更多领域发挥关键作用，推动电子技术的持续发展与应用拓展。
〈烜芯微/XXW〉专业制造二极管，三极管，MOS管，桥堆等，20年，工厂直销省20%，上万家电路电器生产企业选用，专业的工程师帮您稳定好每一批产品，如果您有遇到什么需要帮助解决的,可以直接联系下方的联系号码或加QQ/微信，由我们的销售经理给您精准的报价以及产品介绍
〈烜芯微/XXW〉专业制造二极管，三极管，MOS管，桥堆等，20年，工厂直销省20%，上万家电路电器生产企业选用，专业的工程师帮您稳定好每一批产品，如果您有遇到什么需要帮助解决的,可以直接联系下方的联系号码或加QQ/微信，由我们的销售经理给您精准的报价以及产品介绍
联系号码：18923864027（同微信）
QQ：709211280