智能功率級的結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用場景

引言：傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)，是將開關(guān)MOS管、同步MOS管和驅(qū)動(dòng)IC單獨(dú)放置（外置電源開關(guān)），不僅占據(jù)PCB面積大，寄生效應(yīng)也難以控制，降低了電流的整體轉(zhuǎn)換效率，這對于對供電要求越來越高的處理器而言，成為一個(gè)必須解決的問題。所以為了解決外置電源開關(guān)的痛點(diǎn)，Smart Power Stage開始出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用，智能功率級是比較專業(yè)的名稱，各個(gè)廠商的同類型產(chǎn)品均叫智能功率級。

1.結(jié)構(gòu)組成

如圖7-1所示，按照DC-DC的結(jié)構(gòu)層級，智能功率級由2+3部分組成，即Driver+MOS，簡稱DrMOS。其芯片內(nèi)部集成兩個(gè)（或更多個(gè)并聯(lián)的形式）高性能的MOS和驅(qū)動(dòng)及控制單元，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高功率密度以及良好的散熱性能。嚴(yán)密的控制和保護(hù)邏輯使其能輕松兼容主流的前級控制器，適用于CPU，GPU以及POL的電源設(shè)計(jì)。

圖7-1：DrMOS結(jié)構(gòu)

因?yàn)榧墒紻C-DC在大電流場景發(fā)熱嚴(yán)重，散熱性能也不夠優(yōu)秀，而單片DrMOS使電源系統(tǒng)能夠大幅度提高功率密度、效率和散熱性能，DrMOS模塊以超快速度切換，與外置功率MOS相比，大大降低了SW節(jié)點(diǎn)走線長度和MOS間互聯(lián)長度，最大程度減少寄生電感、電容影響，降低系統(tǒng)整體尺寸，同時(shí)降低了功率損耗和開關(guān)節(jié)點(diǎn)過沖，同時(shí)還提供過溫保護(hù)OTP、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、故障報(bào)告等等，這也是智能功率級的智能所在。

圖7-2：典型DrMOS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖7-2所示是DrMOS內(nèi)部結(jié)構(gòu)，紅色框內(nèi)是DrMOS獨(dú)立供電模塊，黃色框內(nèi)是將輸入PWM轉(zhuǎn)換為上下Driver的控制信號，藍(lán)色框內(nèi)是驅(qū)動(dòng)器，綠色框內(nèi)是電流感測，從結(jié)構(gòu)可以看出支持同時(shí)從主回路和續(xù)流回路檢測，1部分是報(bào)警/指示邏輯，2部分是短路檢測。

TMON引腳可以在過溫，過流，HSS（高邊短路）等狀況時(shí)輸出高電平，GL是低側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器引腳，可連接到測試點(diǎn)，以便觀察波形。PHASE是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，可以用于自舉電容連接。PWM引腳是3.3V（也有5.0V）邏輯電平PWM輸入，電平為高時(shí)控制MOSFET導(dǎo)通，三態(tài)時(shí)關(guān)閉兩個(gè)MOSFET，低電平時(shí)使同步MOSFET導(dǎo)通，VDRV是給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的供電。

2.關(guān)鍵參數(shù)和特性

智能功率級也是一種普適型器件，需要和搭配各類型控制器，所以其輸入信號兼容3.3V/5V電平，且支持三態(tài)信號以實(shí)現(xiàn)不同工作模式的控制。在死區(qū)時(shí)間，傳輸延遲和驅(qū)動(dòng)邊沿的調(diào)整使其可以高效安全運(yùn)行。

3.應(yīng)用場景和選型要點(diǎn)

智能功率級產(chǎn)品主要用于12V輸入和小于2V輸出的應(yīng)用，并且其內(nèi)部功率器件（MOSFET）是不對稱的，以匹配預(yù)期工作范圍內(nèi)的預(yù)期占空比，然后將內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器與MOSFET匹配，以最大化效率（主要是盡量減少開關(guān)損耗）。

智能功率級主要應(yīng)用場景集中在服務(wù)器、存儲、數(shù)據(jù)通信、電信和消費(fèi)者應(yīng)用，為CPU/GPU/SoC/ASIC/內(nèi)存的電源軌供電。針對高性能同步降壓應(yīng)用而優(yōu)化的集成功率級解決方案，這些器件提供了出色的功率轉(zhuǎn)換效率和熱性能、高功率密度以及低寄生參數(shù)，智能功率級產(chǎn)品組合的峰值電流范圍從20A到90A，可設(shè)計(jì)多種功率組合。精確的輸出電流和溫度遙測也有助于顯著提高系統(tǒng)智能和處理器性能。從而實(shí)現(xiàn)了最佳的功率密度和快速保護(hù)功能，使終端系統(tǒng)在整個(gè)壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠和穩(wěn)健的工作。

選型要點(diǎn)主要集中在：

1：電流承載

2：功率損耗

3：Min on和Min off

4：PWM驅(qū)動(dòng)邏輯

5：智能功能需求