單片式驅(qū)動(dòng)器和MOSFET技術(shù)如何改進(jìn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：Christan Cruz， Joseph Viernes， Kareem Atout， Gary Sapia， and Marvin Neil Solis Cabue?as

本文介紹最新的驅(qū)動(dòng)器加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)在功率密度、效率和熱性能方面得到極大改善，從而可以提高終端應(yīng)用的整體性能。

介紹

通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步，由于多核架構(gòu)，微處理器在水平范圍內(nèi)變得更加密集和快速。因此，這些設(shè)備所需的相應(yīng)功率急劇增加。微處理器的這種功率由穩(wěn)壓器模塊（VRM）提供。

有兩個(gè)主要參數(shù)推動(dòng)了該領(lǐng)域穩(wěn)壓器的發(fā)展。首先是穩(wěn)壓器的功率密度（單位體積功率），必須急劇增加，以滿足系統(tǒng)在有限空間內(nèi)的高功率要求。另一個(gè)參數(shù)是功率轉(zhuǎn)換效率，可降低功率損耗并改善熱管理。

隨著發(fā)展挑戰(zhàn)的不斷發(fā)展，電力行業(yè)將找到滿足相應(yīng)要求的方法。一種解決方案在單個(gè)單片芯片中集成了先進(jìn)的開(kāi)關(guān)MOSFET（穩(wěn)壓器的主要構(gòu)建模塊）及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)緊湊高效的功率轉(zhuǎn)換。這些DrMOS功率級(jí)優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)換。

隨著對(duì)這些功率級(jí)（稱為智能功率級(jí)）的需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，電源開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，ADI公司推出了DrMOS智能功率模塊版本。LTC705x DrMOS 系列利用 ADI 獲得專利的靜音切換器 2 架構(gòu)以及集成自舉電路，使 DrMOS 模塊能夠以超快的速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)，同時(shí)降低功率損耗和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)沖，從而改善性能。LTC705x DrMOS 器件還提供過(guò)熱保護(hù) （OTP）、輸入過(guò)壓保護(hù) （V?在過(guò)壓保護(hù)）和欠壓鎖定 （UVLO） 保護(hù)。

LTC7051 靜音MOS智能功率級(jí)

LTC7051是LTC705x DrMOS系列的成員，是一款140 A單片式智能電源模塊，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)控和保護(hù)電路集成在一個(gè)電氣和散熱優(yōu)化封裝中。與合適的PWM控制器一起，該智能功率級(jí)可為市場(chǎng)提供業(yè)界最高的效率、最低噪聲和最高密度的功率轉(zhuǎn)換。這種組合為高電流穩(wěn)壓器模塊配備了最新的效率和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)。LTC7051的典型應(yīng)用如圖1所示。它可用作降壓型 （降壓） 轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)電路，并與具有準(zhǔn)確均流功能的雙通道、多相降壓型電壓模式 DC-DC 控制器結(jié)合使用。

為了演示LTC7051的主要特性，ADI公司創(chuàng)建了一個(gè)評(píng)估板，以展示LTC7051與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的性能。這種演示平臺(tái)有助于以公正、準(zhǔn)確的方式將LTC7051 DrMOS的效率、功率損耗、遙測(cè)精度、熱和電氣性能等基本參數(shù)與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的基本參數(shù)進(jìn)行比較。比較的目的是消除對(duì)結(jié)果有效性的任何懷疑。所述演示平臺(tái)用于突出顯示一流的DrMOS性能指標(biāo)，無(wú)論制造商如何。

圖1.雙相POL轉(zhuǎn)換器。

DrMOS 分析評(píng)估硬件

分析演示硬件具有以下主要功能：

可在寬輸入和輸出電壓以及開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)工作的 PWM 控制器。在本應(yīng)用中，控制器為四路輸出多相降壓型DC-DC電壓模式控制器LTC7883，如圖2所示。

LTC7051 和競(jìng)爭(zhēng)器件的功率級(jí)設(shè)計(jì)相同。

LTpowerPlaypower系統(tǒng)管理環(huán)境，用于LTC7883提供全面的系統(tǒng)性能遙測(cè)。?

可承受符合ADI和競(jìng)爭(zhēng)器件指定工作溫度范圍的擴(kuò)展環(huán)境溫度。

電路板設(shè)計(jì)用于輕松進(jìn)行熱捕獲和測(cè)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)，包括前面提到的關(guān)鍵功能。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。布局布線和圖層堆疊也是對(duì)稱完成的。

圖3.DrMOS評(píng)估板，頂部和底部。印刷電路板尺寸：203 毫米× 152 毫米× 1.67 毫米（長(zhǎng)×高×寬），銅厚度為 2 盎司。

DrMOS分析測(cè)試方法和軟件

除了演示板本身，測(cè)試設(shè)置和測(cè)試方法對(duì)于無(wú)偏數(shù)據(jù)和結(jié)果同樣重要。為此，該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一個(gè)帶有圖形用戶界面（GUI）的補(bǔ)充評(píng)估軟件，如圖4所示，以提供更加用戶友好的測(cè)試和數(shù)據(jù)收集方法。用戶只需要指定輸入和輸出參數(shù)，軟件就會(huì)負(fù)責(zé)自動(dòng)測(cè)試。該軟件自動(dòng)控制相應(yīng)的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，如直流電源、電子負(fù)載和多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集設(shè)備（DAQ），直接從演示板測(cè)量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)，然后在GUI上繪制這些測(cè)量值。軟件還通過(guò) PMBus/I 收集來(lái)自車載設(shè)備的重要遙測(cè)數(shù)據(jù)2C 協(xié)議。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，顯示配置和熱分析選項(xiàng)卡。

數(shù)據(jù)和結(jié)果

以下測(cè)試結(jié)果涵蓋穩(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。該演示板經(jīng)過(guò)以下配置測(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)

效率和功率損耗

圖5中的測(cè)試結(jié)果顯示，在500 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，LTC7051與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比具有更高的效率（高出0.70%）。隨著開(kāi)關(guān)頻率從500 kHz進(jìn)一步增加到1 MHz，LTC7051也提供了更好的效率（高出0.95%）。

圖5.1 V（0 A至60 A負(fù)載）時(shí)的效率和功率損耗，開(kāi)關(guān)頻率分別為500 kHz和1 MHz。

效率性能

值得注意的是，LTC7051 在高輸出負(fù)載電流和高開(kāi)關(guān)頻率下的效率性能高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。這就是ADI公司專利靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，該技術(shù)可改善開(kāi)關(guān)邊沿速率并縮短死區(qū)時(shí)間，從而降低總功耗。這樣可以以更小的解決方案尺寸實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率操作，而不會(huì)對(duì)整體效率產(chǎn)生重大影響。總功率損耗越低，工作溫度越低，電流輸出越高，從而顯著提高功率密度。

熱性能

LTC7051 在效率和功率損耗方面的優(yōu)勢(shì)也轉(zhuǎn)化為其更好的熱性能。LTC7051 與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品之間的溫差約為 3°C 至 10°C，前者的溫度更低，如圖 6 所示。LTC7051 之所以能夠獲得更好的性能，是因?yàn)槠渚脑O(shè)計(jì)的耐熱性能增強(qiáng)型封裝。

圖6.1 V 輸出、60 A 負(fù)載、500 kHz 和 1.0 MHz 開(kāi)關(guān)頻率下的熱性能。

隨著環(huán)境溫度從 25°C 增加到 80°C，LTC7051 與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間的溫差擴(kuò)大到約 15°C，前者再次變得更冷。

設(shè)備交換機(jī)節(jié)點(diǎn)性能

從圖7可以看出，LTC7051的漏源電壓（VDS） 峰值小于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手設(shè)備的峰值。此外，隨著負(fù)載增加到 60 A，VDS競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的測(cè)量值處于峰值，同時(shí)可以看到長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。另一方面，LTC7051 設(shè)法實(shí)現(xiàn)了較小的尖峰并減小了振蕩，這同樣是由于 LTC705x DrMOS 系列內(nèi)部的靜音開(kāi)關(guān)器 2 架構(gòu)和集成自舉電容器。這將轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過(guò)沖更低，這意味著EMI降低，以及輻射和傳導(dǎo)噪聲，以及隨著開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)壓應(yīng)力降低而更高的可靠性。

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)載下進(jìn)行評(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。可以看出，LTC7051表現(xiàn)出的噪聲比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件要小。降低噪聲是由于較低的V值DS開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的尖峰和最小振蕩，這是靜音切換器技術(shù)的結(jié)果。如果未產(chǎn)生開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)尖峰，則輸出沒(méi)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)載下進(jìn)行評(píng)估。

同樣，LTC7051和競(jìng)爭(zhēng)器件也受到輸出噪聲擴(kuò)頻測(cè)量，如圖9所示。LTC7051 的性能優(yōu)于其他 DrMOS 器件，并表明開(kāi)關(guān)頻率處產(chǎn)生的噪聲低于競(jìng)爭(zhēng)器件。噪聲差約為1 mV rms。

圖9.1 V時(shí)的輸出噪聲頻譜響應(yīng)，60 A負(fù)載以1 MHz開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行。

結(jié)論

LTC7051 DrMOS 演示平臺(tái)可用于在競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間提供公正的比較。LTC7051 在高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)作，通過(guò)將 SilentMOS? 架構(gòu)和自舉電容器集成到單個(gè)耐熱性能增強(qiáng)型封裝中，顯著提高了功率轉(zhuǎn)換效率和熱性能。此外，LTC7051 還可以降低振鈴和尖峰能量，這不僅顯示在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，而且還傳播到輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，輸出負(fù)載需要嚴(yán)格的容差，其中一部分是標(biāo)稱直流。然而，高尖峰能量和紋波貢獻(xiàn)的噪聲（也顯示在輸出端）消耗了總預(yù)算。耗電數(shù)據(jù)中心將節(jié)省大量能源和成本，更不用說(shuō)更少的熱管理和EMI的額外好處，這些好處將顯著降低或最終被消除，同時(shí)仍然正確觀察濾波器設(shè)計(jì)和組件放置。綜上所述，LTC7051 應(yīng)該是您的首選功率級(jí)，也是滿足 VRM 設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求的必備 DrMOS 器件。

審核編輯：郭婷