單芯片驅動器+ MOSFET技術 改善電源系統設計

本文介紹最新的驅動器+ MOSFET（DrMOS）技術及其在穩(wěn)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，進而增強最終應用的整體性能。

隨著技術的進步，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(wěn)壓器模塊（VRM）提供。

在該領域，推動穩(wěn)壓器發(fā)展的主要有兩個參數。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的高功率要求，必須大幅提高功率密度。另一個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。

隨著發(fā)展挑戰(zhàn)不斷演變，電源產業(yè)將找到滿足相應要求的辦法。一種解決方案是將先進的開關MOSFET（穩(wěn)壓器的主要組成部分）及其相應的驅動器，整合到單一芯片中并采用高階封裝，從而實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。

隨著對此種功率級（被稱為智慧功率級）的需求穩(wěn)步成長，以及功率切換技術不斷進步，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，并整合自舉電路，使得DrMOS模塊能夠以超快速度切換，同時降低了功率損耗和開關節(jié)點電壓過沖，提升性能。此組件還提供過溫保護（OTP）、輸入過壓保護（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，將高速驅動器與高質量因子（FOM）頂部和底部功率MOSFET以及全面的監(jiān)控保護電路，整合到一個電和熱優(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(wěn)壓器模塊具備最新的效率和瞬態(tài)響應技術。

LTC7051的典型應用，如圖一所示。其充當降壓轉換器的主要開關電路，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，而與制造商無關。

 
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。該板經過精心設計具備關鍵的特性。組件對稱且系統地放置在每個電源軌上，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稱進行。

 
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，團隊建立一個具有圖形用戶界面（GUI）的配套評估軟件，如圖四所示，以支持用戶更加輕松地展開測試和收集數據。

用戶只需要指定輸入和輸出參數，軟件將負責自動化測試。軟件自動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。軟件并透過PMBus/I2C協議收集來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(wěn)態(tài)性能測量、功能性能波形、熱測量和輸出噪聲測量。使用如下的配置對展示板進行測試：

? 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%）。隨著切換頻率從500 kHz進一步提高到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已獲專利的Silent Switcher技術的優(yōu)勢，該技術提升切換邊緣速率并縮短死區(qū)時間，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，也有利于其實現更好的熱性能。在LTC7051和競爭產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計的耐熱增強型封裝。

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

隨著環(huán)境溫度從攝氏25度增加到80度，LTC7051與競爭產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(jié)點性能
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，在競爭組件上測得的VDS處于峰值，同時可以看到長時間的振蕩。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(jié)點上的過沖更低，表示EMI以及輻射和傳導噪聲更低，并且由于切換節(jié)點過壓應力降低，可靠性因而更高。

 
圖七 : 1 V時的開關節(jié)點波形，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技術導致VDS尖峰更低且切換節(jié)點上的振蕩更小。如果沒有產生切換節(jié)點尖峰，則輸出不會有傳導噪聲。

 
圖八 : 1 V時的輸出漣波波形，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展示平臺可用來公正地比較競爭產品。LTC7051將SilentMOS架構和自舉電容整合到單個耐熱增強型封裝中，在高切換頻率下工作時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(jié)點上，而且會傳播到輸出端。

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

（本文作者為ADI 資深應用開發(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）