單芯片驅(qū)動(dòng)器+ MOSFET技術(shù) 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。單芯片DrMOS組件使電源系統(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。

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，這些組件需要的功率急劇增加。微處理器所需的此種電源由穩(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，電源產(chǎn)業(yè)將找到滿足相應(yīng)要求的辦法。一種解決方案是將先進(jìn)的開關(guān)MOSFET（穩(wěn)壓器的主要組成部分）及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，整合到單一芯片中并采用高階封裝，從而實(shí)現(xiàn)精巧高效的功率轉(zhuǎn)換。此種DrMOS功率級(jí)優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)換。

隨著對(duì)此種功率級(jí)（被稱為智慧功率級(jí)）的需求穩(wěn)步成長，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已獲專利的Silent Switcher 2架構(gòu)，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關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過沖，提升性能。此組件還提供過溫保護(hù)（OTP）、輸入過壓保護(hù)（VIN OVP）和欠壓閉鎖（UVLO）保護(hù)等安全特性。

SilentMOS智能功率級(jí)
LTC7051屬于LTC705x DrMOS系列，為一款140A單芯片智能功率模塊，將高速驅(qū)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(jiān)控保護(hù)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(jí)可提供高效率、低噪聲、高密度的功率轉(zhuǎn)換。此種組合使大電流穩(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，如圖一所示。其充當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的主要開關(guān)電路，與之配合的是 LTC3861 —具有精準(zhǔn)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(píng)估板展示LTC7051的主要性能。此展示平臺(tái)有助于以一種公正、準(zhǔn)確的方式比較LTC7051 DrMOS與競爭產(chǎn)品的基本參數(shù)，例如效率、功率損耗、遙測精度、熱和電氣性能。該展示平臺(tái)用于展現(xiàn)DrMOS性能指針，而與制造商無關(guān)。

 
圖一 : 雙相POL轉(zhuǎn)換器

DrMOS分析評(píng)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(yùn)行。在此應(yīng)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(jí)設(shè)計(jì)。
? LTpowerPlay電源系統(tǒng)管理環(huán)境用于全面遙測LTC7883提供的系統(tǒng)性能。
? 根據(jù)ADI和競爭組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)用于輕松擷取和測量熱量。


 
圖二 : 分析展示板架構(gòu)

DrMOS分析展示板如圖三所示。該板經(jīng)過精心設(shè)計(jì)具備關(guān)鍵的特性。組件對(duì)稱且系統(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，布局布線和層堆棧也對(duì)稱進(jìn)行。

 
圖三 : 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分析測試方法和軟件
除了展示板本身之外，測試設(shè)定和測試方法對(duì)于數(shù)據(jù)和結(jié)果的公正同樣很重要。為此，團(tuán)隊(duì)建立一個(gè)具有圖形用戶界面（GUI）的配套評(píng)估軟件，如圖四所示，以支持用戶更加輕松地展開測試和收集數(shù)據(jù)。

用戶只需要指定輸入和輸出參數(shù)，軟件將負(fù)責(zé)自動(dòng)化測試。軟件自動(dòng)控制相應(yīng)的測試和測量設(shè)備，例如直流電源、電子負(fù)載和多任務(wù)數(shù)據(jù)采集組件（DAQ），以直接從展示板測量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)，然后在GUI上呈現(xiàn)測量結(jié)果曲線。軟件并透過PMBus/I2C協(xié)議收集來自板載組件的重要遙測數(shù)據(jù)，這些信息對(duì)于比較系統(tǒng)效率和功率損耗都很重要。

 
圖四 : DrMOS評(píng)估軟件，顯示了配置和熱分析選項(xiàng)卡

測試結(jié)果
以下測試結(jié)果涵蓋穩(wěn)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(duì)展示板進(jìn)行測試：

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

性能數(shù)據(jù)
效率與功率損耗
圖五中的測試結(jié)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(fù)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(fù)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(qū)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(dāng)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(xiàn)更好的熱性能。在LTC7051和競爭產(chǎn)品之間觀察到大約攝氏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(shè)計(jì)的耐熱增強(qiáng)型封裝。

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

隨著環(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(kuò)大到大約15度，前者的溫度同樣更低。

組件切換節(jié)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(dāng)負(fù)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)可以看到長時(shí)間的振蕩。但是，LTC7051設(shè)法減小了尖峰和振蕩，同樣歸功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架構(gòu)和內(nèi)部整合的自舉電容。因此，切換節(jié)點(diǎn)上的過沖更低，表示EMI以及輻射和傳導(dǎo)噪聲更低，并且由于切換節(jié)點(diǎn)過壓應(yīng)力降低，可靠性因而更高。

 
圖七 : 1 V時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，分別在0 A和60 A負(fù)載下評(píng)估

組件輸出漣波性能
另一個(gè)參數(shù)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(dǎo)致VDS尖峰更低且切換節(jié)點(diǎn)上的振蕩更小。如果沒有產(chǎn)生切換節(jié)點(diǎn)尖峰，則輸出不會(huì)有傳導(dǎo)噪聲。

 
圖八 : 1 V時(shí)的輸出漣波波形，分別在0 A和60 A負(fù)載下評(píng)估

同樣的，LTC7051和競爭組件也進(jìn)行了輸出噪聲擴(kuò)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(yīng)：電壓為1 V，負(fù)載為60 A，切換頻率為1 MHz

結(jié)論
LTC7051 DrMOS展示平臺(tái)可用來公正地比較競爭產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS架構(gòu)和自舉電容整合到單個(gè)耐熱增強(qiáng)型封裝中，在高切換頻率下工作時(shí)可明顯提升功率轉(zhuǎn)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(xiàn)在切換節(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)稱直流。然而高尖峰能量和漣波造成的噪聲（其也會(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，更不用說更少熱管理和EMI（這會(huì)明顯降低，甚至最終得以消除）帶來的額外好處，同時(shí)濾波器設(shè)計(jì)和組件放置規(guī)定仍會(huì)得到正確遵守。綜上所述，功率級(jí)和DrMOS組件得以滿足VRM設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求。

（本文作者為ADI 資深應(yīng)用開發(fā)工程師Christan Cruz、電源應(yīng)用工程師 Joseph Viernes、資深系統(tǒng)工程師Kareem Atout、團(tuán)隊(duì)主管Gary Sapia、資深任韌體工程師 Marvin Neil Solis Cabuenas）