單芯片驅動(dòng)器+ MOSFET技術(shù) 改善電源系統設計

本文介紹最新的驅動(dòng)器+ MOSFET（DrMOS）技術(shù)及其在穩壓器模塊（VRM）應用中的優(yōu)勢。單芯片DrMOS組件使電源系統能夠大幅提高功率密度、效率和熱性能，進(jìn)而增強最終應用的整體性能。

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，多核架構使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速。因此，這些組件需要的功率急劇增加。微處理器所需的此種電源由穩壓器模塊（VRM）提供。

在該領(lǐng)域，推動(dòng)穩壓器發(fā)展的主要有兩個(gè)參數。首先是穩壓器的功率密度（單位體積的功率），為了在有限空間中滿(mǎn)足系統的高功率要求，必須大幅提高功率密度。另一個(gè)參數是功率轉換效率，高效率可降低功率損耗并改善熱管理。

隨著(zhù)發(fā)展挑戰不斷演變，電源產(chǎn)業(yè)將找到滿(mǎn)足相應要求的辦法。一種解決方案是將先進(jìn)的開(kāi)關(guān)MOSFET（穩壓器的主要組成部分）及其相應的驅動(dòng)器，整合到單一芯片中并采用高階封裝，從而實(shí)現精巧高效的功率轉換。此種DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉換。

隨著(zhù)對此種功率級（被稱(chēng)為智慧功率級）的需求穩步成長(cháng)，以及功率切換技術(shù)不斷進(jìn)步，ADI推出DrMOS版本的智能功率模塊。LTC705x DrMOS系列利用ADI已獲專(zhuān)利的Silent Switcher 2架構，并整合自舉電路，使得DrMOS模塊能夠以超快速度切換，同時(shí)降低了功率損耗和開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓過(guò)沖，提升性能。此組件還提供過(guò)溫保護（OTP）、輸入過(guò)壓保護（VIN OVP）和欠壓閉鎖（UVLO）保護等安全特性。

SilentMOS智能功率級
LTC7051屬于LTC705x DrMOS系列，為一款140A單芯片智能功率模塊，將高速驅動(dòng)器與高質(zhì)量因子（FOM）頂部和底部功率MOSFET以及全面的監控保護電路，整合到一個(gè)電和熱優(yōu)化的封裝中。與合適的PWM控制器一起，這款智能功率級可提供高效率、低噪聲、高密度的功率轉換。此種組合使大電流穩壓器模塊具備最新的效率和瞬態(tài)響應技術(shù)。

LTC7051的典型應用，如圖一所示。其充當降壓轉換器的主要開(kāi)關(guān)電路，與之配合的是 LTC3861 —具有精準均流特性的雙信道多相降壓電壓模式DC-DC控制器。

ADI建立一個(gè)評估板展示LTC7051的主要性能。此展示平臺有助于以一種公正、準確的方式比較LTC7051 DrMOS與競爭產(chǎn)品的基本參數，例如效率、功率損耗、遙測精度、熱和電氣性能。該展示平臺用于展現DrMOS性能指針，而與制造商無(wú)關(guān)。

 
圖一 : 雙相POL轉換器

DrMOS分析評估硬件
該分析展示硬件具有的特性如下：

? 一個(gè)PWM控制器，能在寬廣范圍的輸入和輸出電壓及切換頻率下運行。在此應用中，控制器是 LTC7883，其為一款四路輸出多相降壓DC-DC電壓模式控制器，如圖二所示。

? LTC7051和競爭組件使用相同的功率級設計。
? LTpowerPlay電源系統管理環(huán)境用于全面遙測LTC7883提供的系統性能。
? 根據ADI和競爭組件的指定工作溫度范圍，可以承受擴展的環(huán)境溫度。
? 電路板設計用于輕松擷取和測量熱量。


 
圖二 : 分析展示板架構

DrMOS分析展示板如圖三所示。該板經(jīng)過(guò)精心設計具備關(guān)鍵的特性。組件對稱(chēng)且系統地放置在每個(gè)電源軌上，并具有相同的PCB尺寸和面積，以限制電源軌之間的差異，布局布線(xiàn)和層堆棧也對稱(chēng)進(jìn)行。

 
圖三 : DrMOS評估板，頂部和底部。PCB尺寸：203 mm × 152 mm × 1.67 mm （L × H × W），2 盎司銅厚度

DrMOS分析測試方法和軟件
除了展示板本身之外，測試設定和測試方法對于數據和結果的公正同樣很重要。為此，團隊建立一個(gè)具有圖形用戶(hù)界面（GUI）的配套評估軟件，如圖四所示，以支持用戶(hù)更加輕松地展開(kāi)測試和收集數據。

用戶(hù)只需要指定輸入和輸出參數，軟件將負責自動(dòng)化測試。軟件自動(dòng)控制相應的測試和測量設備，例如直流電源、電子負載和多任務(wù)數據采集組件（DAQ），以直接從展示板測量溫度、電流和電壓數據，然后在GUI上呈現測量結果曲線(xiàn)。軟件并透過(guò)PMBus/I2C協(xié)議收集來(lái)自板載組件的重要遙測數據，這些信息對于比較系統效率和功率損耗都很重要。

 
圖四 : DrMOS評估軟件，顯示了配置和熱分析選項卡

測試結果
以下測試結果涵蓋穩態(tài)性能測量、功能性能波形、熱測量和輸出噪聲測量。使用如下的配置對展示板進(jìn)行測試：

? 輸入電壓：12 V
? 輸出電壓：1 V
? 輸出負載：0 A至60 A
? 切換頻率：500 kHz和1 MHz

性能數據
效率與功率損耗
圖五中的測試結果顯示，在500 kHz的切換頻率下，相較于競爭組件，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。隨著(zhù)切換頻率從500 kHz進(jìn)一步提高到1 MHz，LTC7051的效率也變得更好（提高0.95%）。

 

圖五 : 1 V時(shí)的效率和功率損耗，負載為0 A至60 A，切換頻率分別為500 kHz和1 MHz

效率性能
值得注意的是，在高輸出負載電流和較高切換頻率下，LTC7051的效率性能優(yōu)良。此為ADI已獲專(zhuān)利的Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢，該技術(shù)提升切換邊緣速率并縮短死區時(shí)間，從而降低總功率損耗。這使得更精巧尺寸解決方案能以更高切換頻率工作，而不會(huì )明顯影響整體效率；當總功率損耗越低，工作溫度就越低，輸出電流因而越高，功率密度得以大幅提高。

熱性能
LTC7051在效率和功率損耗方面的優(yōu)勢，也有利于其實(shí)現更好的熱性能。在LTC7051和競爭產(chǎn)品之間觀(guān)察到大約攝氏3度至10度的溫差，前者的溫度更低，如圖六所示。LTC7051的良好性能歸功于其精心設計的耐熱增強型封裝。

 
圖六 : 1 V輸出時(shí)的典型性能，負載為60 A，切換頻率分別為500 kHz和1.0 MHz

隨著(zhù)環(huán)境溫度從攝氏25度增加到80度，LTC7051與競爭產(chǎn)品之間的溫差擴大到大約15度，前者的溫度同樣更低。

組件切換節點(diǎn)性能
從圖七可以看出，LTC7051的漏源電壓（VDS）峰值低于競爭組件。此外，當負載提高到60 A時(shí)，在競爭組件上測得的VDS處于峰值，同時(shí)可以看到長(cháng)時(shí)間的振蕩。但是，LTC7051設法減小了尖峰和振蕩，同樣歸功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架構和內部整合的自舉電容。因此，切換節點(diǎn)上的過(guò)沖更低，表示EMI以及輻射和傳導噪聲更低，并且由于切換節點(diǎn)過(guò)壓應力降低，可靠性因而更高。

 
圖七 : 1 V時(shí)的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形，分別在0 A和60 A負載下評估

組件輸出漣波性能
另一個(gè)參數是圖八所示的輸出電壓漣波?？梢钥吹絃TC7051的噪聲比競爭組件要小。噪聲降低的原因是Silent Switcher技術(shù)導致VDS尖峰更低且切換節點(diǎn)上的振蕩更小。如果沒(méi)有產(chǎn)生切換節點(diǎn)尖峰，則輸出不會(huì )有傳導噪聲。

 
圖八 : 1 V時(shí)的輸出漣波波形，分別在0 A和60 A負載下評估

同樣的，LTC7051和競爭組件也進(jìn)行了輸出噪聲擴頻測量，如圖九所示。LTC7051優(yōu)于其他DrMOS組件，并顯示出在切換頻率下產(chǎn)生的噪聲低于競爭組件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。

 
圖九 : 輸出噪聲頻譜響應：電壓為1 V，負載為60 A，切換頻率為1 MHz

結論
LTC7051 DrMOS展示平臺可用來(lái)公正地比較競爭產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS架構和自舉電容整合到單個(gè)耐熱增強型封裝中，在高切換頻率下工作時(shí)可明顯提升功率轉換效率和熱性能。此外，LTC7051可降低響鈴振蕩和尖峰能量，后者不僅表現在切換節點(diǎn)上，而且會(huì )傳播到輸出端。

在實(shí)際應用中，輸出負載需要嚴格的容差，其中之一是標稱(chēng)直流。然而高尖峰能量和漣波造成的噪聲（其也會(huì )出現在輸出端）會(huì )消耗總體預算。功耗需求巨大的數據中心將能節省相當多的電能和成本，更不用說(shuō)更少熱管理和EMI（這會(huì )明顯降低，甚至最終得以消除）帶來(lái)的額外好處，同時(shí)濾波器設計和組件放置規定仍會(huì )得到正確遵守。綜上所述，功率級和DrMOS組件得以滿(mǎn)足VRM設計和應用需求。

（本文作者為ADI 資深應用開(kāi)發(fā)工程師Christan Cruz、電源應用工程師 Joseph Viernes、資深系統工程師Kareem Atout、團隊主管Gary Sapia、資深任韌體工程師 Marvin Neil Solis Cabuenas）