單片驅(qū)動(dòng)器+ MOSFET (DrMOS)技術(shù)如何改善電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹最新的驅(qū)動(dòng)器+ MOSFET (DrMOS)技術(shù)及其在穩(wěn)壓器模塊(VRM)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。單片DrMOS器件使電源系統(tǒng)能夠大幅提高功率密度、效率和熱性能，進(jìn)而增強(qiáng)最終應(yīng)用的整體性能。

引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，多核架構(gòu)使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速。因此，這些器件需要的功率急劇增加。微處理器所需的這種電源由穩(wěn)壓器模塊(VRM)提供。

在該領(lǐng)域，推動(dòng)穩(wěn)壓器發(fā)展的主要有兩個(gè)參數(shù)。首先是穩(wěn)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(tǒng)的高功率要求，必須大幅提高功率密度。另一個(gè)參數(shù)是功率轉(zhuǎn)換效率，高效率可降低功率損耗并改善熱管理。

隨著發(fā)展挑戰(zhàn)不斷演變，電源行業(yè)將找到滿(mǎn)足相應(yīng)要求的辦法。一種解決方案是將先進(jìn)的開(kāi)關(guān)MOSFET（穩(wěn)壓器的主要組成部分）及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)芯片中并采用高級(jí)封裝，從而實(shí)現(xiàn)緊湊高效的功率轉(zhuǎn)換。這種DrMOS功率級(jí)優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)換。

隨著對(duì)這種功率級(jí)（被稱(chēng)為智能功率級(jí)）的需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及功率開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，ADI公司推出了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(gòu)，并集成了自舉電路，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(jié)點(diǎn)電壓過(guò)沖，提高了性能。LTC705x DrMOS器件還提供過(guò)溫保護(hù)(OTP)、輸入過(guò)壓保護(hù)(VIN OVP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護(hù)等安全特性。

LTC7051 SilentMOS智能功率級(jí)

LTC7051屬于LTC705x DrMOS系列，是一款140A單片智能功率模塊，它成功地將高速驅(qū)動(dòng)器與高品質(zhì)因數(shù)(FOM)頂部和底部功率MOSFET以及全面的監(jiān)控保護(hù)電路集成到一個(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(jí)可提供市場(chǎng)一流的高效率、低噪聲、高密度的功率轉(zhuǎn)換。這種組合使大電流穩(wěn)壓器模塊具備最新的效率和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)。LTC7051的典型應(yīng)用如圖1所示。它充當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的主要開(kāi)關(guān)電路，與之配合的是 LTC3861 ——具有精確均流特性的雙通道多相降壓電壓模式DC-DC控制器。

為了演示LTC7051的主要特性，ADI公司創(chuàng)建了一個(gè)評(píng)估板，用以展示LTC7051與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的性能對(duì)比。這種演示平臺(tái)有助于以一種公正、準(zhǔn)確的方式比較LTC7051 DrMOS與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的基本參數(shù)，例如效率、功率損耗、遙測(cè)精度、熱和電氣性能。比較的目的是消除對(duì)結(jié)果有效性的任何懷疑。該演示平臺(tái)用于突出一流的DrMOS性能指標(biāo)，而與制造商無(wú)關(guān)。

圖1.雙相POL轉(zhuǎn)換器

DrMOS分析評(píng)估硬件

該分析演示硬件具有如下重要特性：

●    一個(gè)PWM控制器，它能在寬范圍的輸入和輸出電壓及開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。在此應(yīng)用中，控制器是 LTC7883，它是一款四路輸出多相降壓DC-DC電壓模式控制器，如圖2所示。

●    LTC7051和競(jìng)爭(zhēng)器件使用相同的功率級(jí)設(shè)計(jì)。

●    LTpowerPlay?電源系統(tǒng)管理環(huán)境用于全面遙測(cè)LTC7883提供的系統(tǒng)性能。

●    根據(jù)ADI和競(jìng)爭(zhēng)器件的指定工作溫度范圍，可以承受擴(kuò)展的環(huán)境溫度。

●    電路板設(shè)計(jì)用于輕松捕獲和測(cè)量熱量。

圖2.分析演示板框圖

DrMOS分析演示板如圖3所示。該板經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，具備前面提到的關(guān)鍵特性。元件對(duì)稱(chēng)且系統(tǒng)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)和層堆疊也是對(duì)稱(chēng)進(jìn)行的。

圖3.DrMOS評(píng)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(cè)試方法和軟件

除了演示板本身之外，測(cè)試設(shè)置和測(cè)試方法對(duì)于數(shù)據(jù)和結(jié)果的公正同樣很重要。為此，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一個(gè)具有圖形用戶(hù)界面(GUI)的配套評(píng)估軟件，如圖4所示，以支持用戶(hù)更加輕松地開(kāi)展測(cè)試和收集數(shù)據(jù)。用戶(hù)只需要指定輸入和輸出參數(shù)，軟件將負(fù)責(zé)自動(dòng)化測(cè)試。軟件自動(dòng)控制相應(yīng)的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，例如直流電源、電子負(fù)載和多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集器件(DAQ)，以直接從演示板測(cè)量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)，然后在GUI上呈現(xiàn)測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)。軟件還通過(guò)PMBus/I2C協(xié)議收集來(lái)自板載器件的重要遙測(cè)數(shù)據(jù)。所有這些信息對(duì)于比較系統(tǒng)效率和功率損耗都很重要。

圖4.DrMOS評(píng)估軟件，顯示了配置和熱分析選項(xiàng)卡

數(shù)據(jù)與結(jié)果

以下測(cè)試結(jié)果涵蓋了穩(wěn)態(tài)性能測(cè)量、功能性能波形、熱測(cè)量和輸出噪聲測(cè)量。使用如下配置對(duì)演示板進(jìn)行了測(cè)試：

●    輸入電壓：12 V

●    輸出電壓：1 V

●    輸出負(fù)載：0 A至60 A

●    開(kāi)關(guān)頻率：500 kHz和1 MHz

●    性能數(shù)據(jù)

效率與功率損耗

圖5中的測(cè)試結(jié)果表明，在500 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，與競(jìng)爭(zhēng)器件相比，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。隨著開(kāi)關(guān)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5.1 V時(shí)的效率和功率損耗，負(fù)載為0 A至60 A，開(kāi)關(guān)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(fù)載電流和較高開(kāi)關(guān)頻率下，LTC7051的效率性能優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。這是ADI已獲專(zhuān)利的Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)改進(jìn)了開(kāi)關(guān)邊沿速率并縮短了死區(qū)時(shí)間，從而降低了總功率損耗。這使得更小尺寸解決方案能以更高開(kāi)關(guān)頻率工作，而不會(huì)顯著影響整體效率?？偣β蕮p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(shì)也有利于其實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。在LTC7051和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間觀察到大約3°C至10°C的溫差，前者的溫度更低，如圖6所示。LTC7051的這種更好的性能要?dú)w功于其精心設(shè)計(jì)的耐熱增強(qiáng)型封裝。

圖6.1 V輸出時(shí)的典型性能，負(fù)載為60 A，開(kāi)關(guān)頻率分別為500 kHz和1.0 MHz

隨著環(huán)境溫度從25°C增加到80°C，LTC7051與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的溫差擴(kuò)大到大約15°C，前者的溫度同樣更低。

器件開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)性能

從圖7可以看出，LTC7051的漏源電壓(VDS)峰值低于競(jìng)爭(zhēng)器件。此外，當(dāng)負(fù)載提高到60 A時(shí)，在競(jìng)爭(zhēng)器件上測(cè)得的VDS處于峰值，同時(shí)可以看到長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。但是，LTC7051設(shè)法減小了尖峰和振蕩，這同樣歸功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架構(gòu)和內(nèi)部集成的自舉電容。因此，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過(guò)沖更低，意味著EMI以及輻射和傳導(dǎo)噪聲更低，并且由于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)壓應(yīng)力降低，可靠性因而更高。

圖7.1 V時(shí)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，分別在0 A和60 A負(fù)載下評(píng)估

器件輸出紋波性能

另一個(gè)參數(shù)是圖8所示的輸出電壓紋波?？梢钥吹?，LTC7051的噪聲比競(jìng)爭(zhēng)器件要小。噪聲降低的原因是Silent Switcher技術(shù)導(dǎo)致VDS尖峰更低且開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振蕩更小。如果沒(méi)有產(chǎn)生開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)尖峰，則輸出不會(huì)有傳導(dǎo)噪聲。

圖8.1 V時(shí)的輸出紋波波形，分別在0 A和60 A負(fù)載下評(píng)估

同樣，LTC7051和競(jìng)爭(zhēng)器件也進(jìn)行了輸出噪聲擴(kuò)頻測(cè)量，如圖9所示。LTC7051優(yōu)于其他DrMOS器件，并顯示出在開(kāi)關(guān)頻率下產(chǎn)生的噪聲低于競(jìng)爭(zhēng)器件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。

圖9.輸出噪聲頻譜響應(yīng)：電壓為1 V，負(fù)載為60 A，開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz

結(jié)論

LTC7051 DrMOS演示平臺(tái)可用來(lái)公正地比較競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS?架構(gòu)和自舉電容集成到單個(gè)耐熱增強(qiáng)型封裝中，在高開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)可顯著提高功率轉(zhuǎn)換效率和熱性能。此外，LTC7051可以降低響鈴振蕩和尖峰能量，后者不僅表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，而且會(huì)傳播到輸出端。在實(shí)際應(yīng)用中，輸出負(fù)載需要嚴(yán)格的容差，其中之一是標(biāo)稱(chēng)直流。然而，高尖峰能量和紋波造成的噪聲（它也會(huì)出現(xiàn)在輸出端）會(huì)消耗總體預(yù)算。功耗需求巨大的數(shù)據(jù)中心將能節(jié)省相當(dāng)多的電能和成本，更不用說(shuō)更少熱管理和EMI（這會(huì)顯著降低，甚至最終得以消除）帶來(lái)的額外好處，同時(shí)濾波器設(shè)計(jì)和元件放置規(guī)定仍會(huì)得到正確遵守。綜上所述，LTC7051應(yīng)當(dāng)是您的首選功率級(jí)和DrMOS器件，它能滿(mǎn)足您的VRM設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求。

來(lái)源：ADI，作者：Christan Cruz, Joseph Viernes, Kareem Atout, Gary Sapia, 和 Marvin Neil Solis Cabue?as