電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化秘技:單片驅(qū)動(dòng)器+MOSFET(DrMOS)

現(xiàn)階段，多核架構(gòu)使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速，令這些器件所需功率急劇增加，直接導(dǎo)致向微處理器供電的穩(wěn)壓器模塊(VRM)的升級(jí)需求：一是穩(wěn)壓器的功率密度（單位體積的功率）升級(jí)，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；另一是功率轉(zhuǎn)換效率提升，高效率可降低功率損耗并改善熱管理。

目前電源行業(yè)一種公認(rèn)的解決方案，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)（被稱為智能功率級(jí)）的需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及功率開關(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關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過沖，提高了性能。LTC705x DrMOS器件還提供過溫保護(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。

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)耐電耐熱的封裝中。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。

圖1 雙相POL轉(zhuǎn)換器

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)，而與制造商無關(guān)。

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)過精心設(shè)計(jì)，具備前面提到的關(guān)鍵特性。元件對(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。布局布線和層堆疊也是對(duì)稱進(jìn)行的。

圖3 DrMOS評(píng)估板，頂部和底部。PCB尺寸：203mm×152mm×1.67mm (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)具有圖形用戶界面(GUI)的配套評(píng)估軟件，如圖4所示，以支持用戶更加輕松地開展測(cè)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(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。軟件還通過PMBus/I2C協(xié)議收集來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：12V

■   輸出電壓：1V

■   輸出負(fù)載：0A至60A

■   開關(guān)頻率：500kHz和1MHz

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500kHz的開關(guān)頻率下，與競(jìng)爭(zhēng)器件相比，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。隨著開關(guān)頻率從500kHz進(jìn)一步提高到1MHz，LTC7051的效率也變得更好（提高0.95%）。

圖5 1V時(shí)的效率和功率損耗，負(fù)載為0A至60A，開關(guān)頻率分別為500kHz和1MHz

●  效率性能

值得注意的是，在高輸出負(fù)載電流和較高開關(guān)頻率下，LTC7051的效率性能優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。這是ADI已獲專利的Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)改進(jìn)了開關(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 1V輸出時(shí)的典型性能，負(fù)載為60A，開關(guān)頻率分別為500kHz和1.0MHz

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60A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，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過沖更低，意味著EMI以及輻射和傳導(dǎo)噪聲更低，并且由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)過壓應(yīng)力降低，可靠性因而更高。

圖7 1V時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，分別在0A和60A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?？梢钥吹剑琇TC7051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尖峰更低且開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振蕩更小。如果沒有產(chǎn)生開關(guān)節(jié)點(diǎn)尖峰，則輸出不會(huì)有傳導(dǎo)噪聲。

圖8 1V時(shí)的輸出紋波波形，分別在0A和60A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1V，負(fù)載為60A，開關(guān)頻率為1MHz

結(jié)論

LTC7051 DrMOS演示平臺(tái)可用來公正地比較競(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，更不用說更少熱管理和EMI（這會(huì)顯著降低，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)和元件放置規(guī)定仍會(huì)得到正確遵守。綜上所述，LTC7051顯然是目前企業(yè)首選的功率級(jí)和DrMOS器件，可為VRM設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求提供有力支撐。

關(guān)于作者

Gary Sapia大約23年前開始為凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作。在此之前，他是Ashtech（后來為Magellan/Orbital Sciences）的模擬設(shè)計(jì)工程師。在GPS應(yīng)用早期，Gary設(shè)計(jì)了GPS RF模擬前端解決方案。他還從事電源模擬電路、LNA、完整模擬前端、運(yùn)算放大器和比較器解決方案、其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器解決方案和最終產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和故障排除工作。他的工作還包括編寫運(yùn)行這些測(cè)試系統(tǒng)的軟件。在加入凌力爾特之后，Gary作為FAE被分配到灣區(qū)公司，并有幸與多個(gè)工程師合作進(jìn)行幾種不同的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。40年來，他與不同的人員協(xié)作從事硬件工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，Gary現(xiàn)在是ADI新技術(shù)和市場(chǎng)拓展團(tuán)隊(duì)的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，期待著幫助ADI繼續(xù)實(shí)現(xiàn)可盈利的未來增長(zhǎng)。

Kareem Atout早在決定投身科技行業(yè)之前，他就開始搗鼓電子產(chǎn)品，自己組裝音響設(shè)備，而且經(jīng)常讓父母擔(dān)心Kareem會(huì)引起下一次停電！Kareem熱衷于探索創(chuàng)新電子技術(shù)，在電氣工程領(lǐng)域成功從業(yè)已25年。作為通信基礎(chǔ)設(shè)施的高級(jí)系統(tǒng)工程師，他在模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域都積累了不少經(jīng)驗(yàn)。他將積極樂觀的專業(yè)精神和富有靈感的設(shè)計(jì)應(yīng)用于有線通信和電源系統(tǒng)，不斷打破障礙，促進(jìn)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的高級(jí)應(yīng)用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)、固件設(shè)計(jì)和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗(yàn)，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前負(fù)責(zé)支持基于云的計(jì)算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。

Joseph Rommel Viernes是ADI菲律賓公司的一名電源應(yīng)用工程師。他于2018年加入ADI公司。他先后在Emerson Network Power、Phihong Technology、Power Integrations等公司以及現(xiàn)在的ADI公司工作，擁有超過17年的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。他的工作側(cè)重于工業(yè)和通信電源系統(tǒng)應(yīng)用。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

Marvin Neil Solis Cabue?as畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。在2021年加入ADI之前，Marvin曾在Azeus Systems菲律賓公司擔(dān)任系統(tǒng)工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)工程師（2014年至2017年），并在2017年至2020年擔(dān)任諾基亞技術(shù)中心菲律賓公司的研發(fā)工程師。他在不同領(lǐng)域擁有超過9年的工作經(jīng)驗(yàn)，如嵌入式系統(tǒng)編程、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模等。目前擔(dān)任高級(jí)固件工程師，負(fù)責(zé)ADI電源事業(yè)部的不同項(xiàng)目。目前正在攻讀菲律賓大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。