單片式驅(qū)動器和MOSFET技術如何改進電源系統(tǒng)設計

作者：Christan Cruz, Joseph Viernes, Kareem Atout, Gary Sapia, and Marvin N

本文介紹最新的驅(qū)動器加MOSFET（DrMOS）技術及其在穩(wěn)壓器模塊（VRM）應用中的優(yōu)勢。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用的整體性能。

介紹

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

有兩個主要參數(shù)推動了該領域穩(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)將找到滿足相應要求的方法。一種解決方案在單個單片芯片中集成了先進的開關MOSFET（穩(wěn)壓器的主要構建模塊）及其相應的驅(qū)動器，從而實現(xiàn)緊湊高效的功率轉(zhuǎn)換。這些DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)換。

隨著對這些功率級（稱為智能功率級）的需求穩(wěn)步增長，電源開關技術不斷進步，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 架構以及集成自舉電路，使 DrMOS 模塊能夠以超快的速度進行開關，同時降低功率損耗和開關節(jié)點電壓過沖，從而改善性能。LTC705x DrMOS 器件還提供過熱保護 （OTP）、輸入過壓保護 （V?在過壓保護）和欠壓鎖定 （UVLO） 保護。

LTC7051 靜音MOS智能功率級

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)控和保護電路集成在一個電氣和散熱優(yōu)化封裝中。與合適的PWM控制器一起，該智能功率級可為市場提供業(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)響應技術。LTC7051的典型應用如圖1所示。它可用作降壓型 （降壓） 轉(zhuǎn)換器的主開關電路，并與具有準確均流功能的雙通道、多相降壓型電壓模式 DC-DC 控制器結合使用。

為了演示LTC7051的主要特性，ADI公司創(chuàng)建了一個評估板，以展示LTC7051與競爭產(chǎn)品的性能。這種演示平臺有助于以公正、準確的方式將LTC7051 DrMOS的效率、功率損耗、遙測精度、熱和電氣性能等基本參數(shù)與競爭產(chǎn)品的基本參數(shù)進行比較。比較的目的是消除對結果有效性的任何懷疑。所述演示平臺用于突出顯示一流的DrMOS性能指標，無論制造商如何。

圖1.雙相POL轉(zhuǎn)換器。

DrMOS 分析評估硬件

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關頻率范圍內(nèi)工作的 PWM 控制器。在本應用中，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 和競爭器件的功率級設計相同。

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

可承受符合ADI和競爭器件指定工作溫度范圍的擴展環(huán)境溫度。

電路板設計用于輕松進行熱捕獲和測量。

圖2.分析演示板框圖。

DrMOS分析演示板如圖3所示。該板經(jīng)過精心設計，包括前面提到的關鍵功能。元件對稱且系統(tǒng)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。布局布線和圖層堆疊也是對稱完成的。

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

DrMOS分析測試方法和軟件

除了演示板本身，測試設置和測試方法對于無偏數(shù)據(jù)和結果同樣重要。為此，該團隊還創(chuàng)建了一個帶有圖形用戶界面（GUI）的補充評估軟件，如圖4所示，以提供更加用戶友好的測試和數(shù)據(jù)收集方法。用戶只需要指定輸入和輸出參數(shù)，軟件就會負責自動測試。該軟件自動控制相應的測試和測量設備，如直流電源、電子負載和多路復用數(shù)據(jù)采集設備（DAQ），直接從演示板測量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)，然后在GUI上繪制這些測量值。軟件還通過 PMBus/I 收集來自車載設備的重要遙測數(shù)據(jù)2C 協(xié)議。所有這些信息對于比較系統(tǒng)效率和功率損耗都很重要。

圖4.DrMOS評估軟件，顯示配置和熱分析選項卡。

數(shù)據(jù)和結果

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。該演示板經(jīng)過以下配置測試：

輸入電壓：12 V

輸出電壓：1 V

輸出負載：0 A 至 60 A

開關頻率：500 kHz 和 1 MHz

性能數(shù)據(jù)

效率和功率損耗

圖5中的測試結果顯示，在500 kHz的開關頻率下，LTC7051與競爭對手相比具有更高的效率（高出0.70%）。隨著開關頻率從500 kHz進一步增加到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負載）時的效率和功率損耗，開關頻率分別為500 kHz和1 MHz。

效率性能

值得注意的是，LTC7051 在高輸出負載電流和高開關頻率下的效率性能高于競爭對手。這就是ADI公司專利靜音開關技術的優(yōu)勢所在，該技術可改善開關邊沿速率并縮短死區(qū)時間，從而降低總功耗。這樣可以以更小的解決方案尺寸實現(xiàn)更高的開關頻率操作，而不會對整體效率產(chǎn)生重大影響?？偣β蕮p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)勢也轉(zhuǎn)化為其更好的熱性能。LTC3 與競爭對手產(chǎn)品之間的溫差約為 10°C 至 7051°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，是因為其精心設計的耐熱性能增強型封裝。

圖6.1 V 輸出、60 A 負載、500 kHz 和 1.0 MHz 開關頻率下的熱性能。

隨著環(huán)境溫度從 25°C 增加到 80°C，LTC7051 與其競爭對手之間的溫差擴大到約 15°C，前者再次變得更冷。

設備交換機節(jié)點性能

從圖7可以看出，LTC7051的漏源電壓（VDS） 峰值小于競爭對手設備的峰值。此外，隨著負載增加到 60 A，VDS競爭對手的測量值處于峰值，同時可以看到長時間的振蕩。另一方面，LTC7051 設法實現(xiàn)了較小的尖峰并減小了振蕩，這同樣是由于 LTC2x DrMOS 系列內(nèi)部的靜音開關器 705 架構和集成自舉電容器。這將轉(zhuǎn)化為開關節(jié)點上的過沖更低，這意味著EMI降低，以及輻射和傳導噪聲，以及隨著開關節(jié)點過壓應力降低而更高的可靠性。

圖7.1 V時的開關節(jié)點波形分別在0 A和60 A負載下進行評估。

器件輸出紋波性能

另一個參數(shù)是圖8所示的輸出電壓紋波。可以看出，LTC7051表現(xiàn)出的噪聲比競爭對手的器件要小。降低噪聲是由于較低的V值DS開關節(jié)點上的尖峰和最小振蕩，這是靜音切換器技術的結果。如果未產(chǎn)生開關節(jié)點尖峰，則輸出沒有傳導噪聲。

圖8.1 V時的輸出紋波波形分別在0 A和60 A負載下進行評估。

同樣，LTC7051和競爭器件也受到輸出噪聲擴頻測量，如圖9所示。LTC7051 的性能優(yōu)于其他 DrMOS 器件，并表明開關頻率處產(chǎn)生的噪聲低于競爭器件。噪聲差約為1 mV rms。

圖9.1 V時的輸出噪聲頻譜響應，60 A負載以1 MHz開關頻率運行。

結論

LTC7051 DrMOS 演示平臺可用于在競爭產(chǎn)品之間提供公正的比較。LTC7051 在高開關頻率下運作，通過將 SilentMOS? 架構和自舉電容器集成到單個耐熱性能增強型封裝中，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，這不僅顯示在開關節(jié)點上，而且還傳播到輸出。在實際應用中，輸出負載需要嚴格的容差，其中一部分是標稱直流。然而，高尖峰能量和紋波貢獻的噪聲（也顯示在輸出端）消耗了總預算。耗電數(shù)據(jù)中心將節(jié)省大量能源和成本，更不用說更少的熱管理和EMI的額外好處，這些好處將顯著降低或最終被消除，同時仍然正確觀察濾波器設計和組件放置。綜上所述，LTC7051 應該是您的首選功率級，也是滿足 VRM 設計和應用需求的必備 DrMOS 器件。

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