關(guān)于DrMOS的分析和介紹

RT2702 是一款可在 -40℃ ~ +105℃ 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作的工業(yè)級 Buck 控制器，輸入電壓范圍為 4.5V ~ 19V，可以 1% 的精度輸出最低達 0.6V 的電壓。它所采用的控制架構(gòu)是 FCOT，這個詞是 Flexible Constant On Time 的縮寫，由立锜自己定義。按照常識，Constant On Time（固定導(dǎo)通時間）控制架構(gòu)的導(dǎo)通時間是固定的，因而其工作頻率會隨著輸入電壓、負載條件的不同而發(fā)生變化，但有了 Flexible 的修飾以后就有所不同了。

先來看看 RT1702 的內(nèi)部框圖：

這里面沒有電壓模式、電流模式控制器里有的時鐘信號發(fā)生器，與導(dǎo)通時間有關(guān)的電路是被我涂了顏色的文字部分所代表的端子和小框，導(dǎo)通時間生成電路 TON Gen. 受從 TON 進入的信號影響，這個影響的來源要從下圖所示的應(yīng)用電路中才能看到。

由圖可見，TON 是通過一只電阻 R2 連接到 VIN 上的，因此我們可以知道 TON 將與 VIN 有關(guān)。實際上，它們之間的關(guān)系是這樣的：

式中的 3.8p 代表的是 IC 內(nèi)部集成的一個小電容，其容量為 3.8pF，RTON 就是上圖中的 R2，VOUT 是輸出電壓，這幾個數(shù)據(jù)對于一個應(yīng)用來說都是固定值，唯一可以變化的就是 VIN 了，所以這個式子決定了 TON 和 VIN 之間的關(guān)系，它們之間基本上是成反比的。如果 VIN 已經(jīng)確定，那么 TON 也就被確定了。

一個開關(guān)周期中的截止時間 TOFF 是如何確定的呢？對于 COT 架構(gòu)來說，這是通過比較產(chǎn)生的，如下圖：

開關(guān)導(dǎo)通期間，電感電流上升；開關(guān)截止期間，電感電流下降。這個過程中的電流均值便是負載電流的大小，高出負載電流的電感電流將進入輸出電容，電感電流低于負載電流的部分則由輸出電容的儲能予以彌補，這一進一出之間就形成了輸出電壓上的紋波。紋波的另一部分是由進出輸出電容的電流在電容內(nèi)阻 ESR 上形成的，它和前者一起形成了總的輸出電壓紋波，只要此紋波的底部觸及參考電壓 VREF，一次時長為 TON 的導(dǎo)通過程就會發(fā)生，以便電感電流可以增加，彌補輸出電壓的損失。由于輸出電壓紋波幅度相對輸出電壓來說非常小，所以可以認(rèn)為輸出電壓是恒定不變的，而電感電流下降的這段截止時間正是由輸出電壓決定的，所以截止時間 TOFF 幾乎是不會發(fā)生變化的。當(dāng) TOFF 和 TON 都確定以后，工作頻率也就確定了。

對于Buck轉(zhuǎn)換器來說，它的占空比

所以有轉(zhuǎn)換器的工作頻率

這便是工作頻率的計算公式，由于 TON 由前述的 RTON 決定，所以它也間接確定了工作頻率，RT2702 容許的工作頻率范圍為 200kHz~1.2MHz。

以較高的頻率工作，DC/DC 轉(zhuǎn)換器所使用的電感、電容等外圍元件都可以比較小，環(huán)路帶寬可以很寬，高頻響應(yīng)特性可以做得很好，可以適應(yīng)快速變化的負載的需求，但是如果負載進入很輕的狀態(tài)，功率部分的開關(guān)損耗的占比就會顯得很大，RT2702 支持在這時候進入 ASM(Audio Skipping Mode) 以降低損耗、提高效率，這種模式下的工作頻率維持在人耳可以聞聽到的頻率范圍之外，因而不會帶來音頻干擾。

在上面摘錄的 RT2702 應(yīng)用電路中出現(xiàn)了一個器件，名為 DrMOS，這是個什么東西呢？原來它是來源于 CPU 大王 Intel 在2004年給定的一個定義：Driver + MOSFET。

Driver + MOSFET，在一個普通的 Buck 轉(zhuǎn)換器中就如下圖中用紅線圍起來的部分：

此圖摘錄自 RTQ2823 的規(guī)格書，這是一款可在 -40℃ ~ +125℃ 環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作、工作電壓范圍為 4.5V~17V、負載能力為 8A 的 ACOT 架構(gòu) Buck 轉(zhuǎn)換器，工作頻率 400kHz、800kHz、1200kHz 可選。這樣的器件負載能力那么高，工作溫度范圍那么寬，又要能以那么高的頻率工作，設(shè)計上對于它的開關(guān) MOSFET 的要求就會非常高，首先是導(dǎo)通內(nèi)阻要很低，同時要求開關(guān)速度要很快，管子之間的引線、輸入輸出引線的阻抗都要非常低，封裝的散熱能力也要很好才行，這從下圖所示的封裝引腳布置上也能看出來：

圖中封裝信息部分標(biāo)注的 FC 表明這顆 IC 使用了晶核倒裝的結(jié)構(gòu)，前面的文章里已經(jīng)說過，這是把晶核和封裝上的金屬支架直接焊接在一起才能實現(xiàn)的，是屬于降低阻抗、實現(xiàn)順利導(dǎo)熱的措施。

RTQ2823 以 8A 的負載能力就要這樣做，那些需要負載幾十 A、上百 A 電流的負載就需要更好的做法了，而 DrMOS 也就是因此產(chǎn)生的。下面就讓我們來看一下 Intel 在定義 DrMOS 時預(yù)定義的封裝及其引腳定義是如何做的，以便我們對它有一個很直觀的認(rèn)識。

與之對應(yīng)的原理框圖是這樣的：

這些引腳不需要在每一款 DrMOS 產(chǎn)品上都出現(xiàn)，但我們可以看到 Intel 把大量的引腳都分配給了大電流進出的幾個端子—— VIN、VSWH 和 PGND，芯片的底部還有大的裸露銅箔也是這幾個端子的引出點，這樣做的目的都是為了確保引線電阻是很低的、導(dǎo)熱能力是很好的，很大的開關(guān)電流在經(jīng)過這些地方時也不至于造成很大的電磁兼容性問題。通過這樣的處理，與普通 MOSFET 相當(dāng)?shù)?DrMOS 可以用高幾倍的功率密度實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，而熱性能、EMI性能還非常好。如果你上百度百科去看， DrMOS 這個詞還被某主板廠當(dāng)作了發(fā)布廣告的機會予以使用，這使我再一次意識到人人可編輯的網(wǎng)頁資料其實也是蠻可怕的，給人的信任度打了很大的折扣，因為它的目的不是為了傳遞知識，而是為了商業(yè)利益。這世上只要有了利益，人們便可以不擇手段了。

由于 DrMOS 內(nèi)部已經(jīng)集成了 MOSFET Driver，我們在設(shè)計電源轉(zhuǎn)換控制器的時候便不需要再設(shè)計這部分，只需輸出 PWM 信號和其他的控制信號即可，而重點就轉(zhuǎn)向了控制器的其他部分，上面提到的 RT2702 也是如此，它具有一些很特別的能力，文章前面部分提及的只是其中的一點點而已，有興趣的不妨點擊文末的閱讀原文找出它的規(guī)格書來看看。由于 DrMOSv 規(guī)格多樣，最大的負載能力已達 50A，所以你使用 RT2702 與之配合便可達成這樣的輸出能力，稍后立锜還會提供加倍其能力的解決方案，有需求的讀者不妨等等看。