電源系統(tǒng)設計優(yōu)化秘技:單片驅動器+MOSFET(DrMOS)

現(xiàn)階段，多核架構使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速，令這些器件所需功率急劇增加，直接導致向微處理器供電的穩(wěn)壓器模塊(VRM)的升級需求：一是穩(wěn)壓器的功率密度（單位體積的功率）升級，為了在有限空間中滿足系統(tǒng)的高功率要求，必須大幅提高功率密度；另一是功率轉換效率提升，高效率可降低功率損耗并改善熱管理。

目前電源行業(yè)一種公認的解決方案，是將先進的開關MOSFET（穩(wěn)壓器的主要組成部分）及其相應的驅動器集成到單個芯片中并采用高級封裝，從而實現(xiàn)緊湊高效的功率轉換。這種DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉換。

隨著對這種功率級（被稱為智能功率級）的需求穩(wěn)步增長，以及功率開關技術不斷進步，ADI公司推出了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，并集成了自舉電路，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，提高了性能。LTC705x DrMOS器件還提供過溫保護(OTP)、輸入過壓保護(VIN OVP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護等安全特性。

LTC7051 SilentMOS智能功率級

LTC7051屬于LTC705x DrMOS系列，是一款140A單片智能功率模塊，它成功地將高速驅動器與高品質因數(shù)(FOM)頂部和底部功率MOSFET以及全面的監(jiān)控保護電路集成到一個耐電耐熱的封裝中。與合適的PWM控制器一起，這款智能功率級可提供市場一流的高效率、低噪聲、高密度的功率轉換。這種組合使大電流穩(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1所示。它充當降壓轉換器的主要開關電路，與之配合的是LTC3861——具有精確均流特性的雙通道多相降壓電壓模式DC-DC控制器。

圖1 雙相POL轉換器

為了演示LTC7051的主要特性，ADI公司創(chuàng)建了一個評估板，用以展示LTC7051與競爭產(chǎn)品的性能對比。這種演示平臺有助于以一種公正、準確的方式比較LTC7051 DrMOS與競爭產(chǎn)品的基本參數(shù)，例如效率、功率損耗、遙測精度、熱和電氣性能。比較的目的是消除對結果有效性的任何懷疑。該演示平臺用于突出一流的DrMOS性能指標，而與制造商無關。

DrMOS分析評估硬件

該分析演示硬件具有如下重要特性：

■   一個PWM控制器，它能在寬范圍的輸入和輸出電壓及開關頻率下運行。在此應用中，控制器是LTC7883，它是一款四路輸出多相降壓DC-DC電壓模式控制器，如圖2所示。

■   LTC7051和競爭器件使用相同的功率級設計。

■   LTpowerPlay^?電源系統(tǒng)管理環(huán)境用于全面遙測LTC7883提供的系統(tǒng)性能。

■   根據(jù)ADI和競爭器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捕獲和測量熱量。

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，具備前面提到的關鍵特性。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。布局布線和層堆疊也是對稱進行的。

圖3 DrMOS評估板，頂部和底部。PCB尺寸：203mm×152mm×1.67mm (L×H ×W)，2盎司銅厚度。

DrMOS分析測試方法和軟件

除了演示板本身之外，測試設置和測試方法對于數(shù)據(jù)和結果的公正同樣很重要。為此，團隊還創(chuàng)建了一個具有圖形用戶界面(GUI)的配套評估軟件，如圖4所示，以支持用戶更加輕松地開展測試和收集數(shù)據(jù)。用戶只需要指定輸入和輸出參數(shù)，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、電子負載和多路復用數(shù)據(jù)采集器件(DAQ)，以直接從演示板測量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)，然后在GUI上呈現(xiàn)測量結果曲線。軟件還通過PMBus/I2C協(xié)議收集來自板載器件的重要遙測數(shù)據(jù)。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，顯示了配置和熱分析選項卡

數(shù)據(jù)與結果

以下測試結果涵蓋了穩(wěn)態(tài)性能測量、功能性能波形、熱測量和輸出噪聲測量。使用如下配置對演示板進行了測試：

■   輸入電壓：12V

■   輸出電壓：1V

■   輸出負載：0A至60A

■   開關頻率：500kHz和1MHz

性能數(shù)據(jù)

●   效率與功率損耗

圖5中的測試結果表明，在500kHz的開關頻率下，與競爭器件相比，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。隨著開關頻率從500kHz進一步提高到1MHz，LTC7051的效率也變得更好（提高0.95%）。

圖5 1V時的效率和功率損耗，負載為0A至60A，開關頻率分別為500kHz和1MHz

●  效率性能

值得注意的是，在高輸出負載電流和較高開關頻率下，LTC7051的效率性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品。這是ADI已獲專利的Silent Switcher技術的優(yōu)勢，該技術改進了開關邊沿速率并縮短了死區(qū)時間，從而降低了總功率損耗。這使得更小尺寸解決方案能以更高開關頻率工作，而不會顯著影響整體效率?？偣β蕮p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(xiàn)更好的熱性能。在LTC7051和競爭產(chǎn)品之間觀察到大約3°C至10°C的溫差，前者的溫度更低，如圖6所示。LTC7051的這種更好的性能要歸功于其精心設計的耐熱增強型封裝。

圖6 1V輸出時的典型性能，負載為60A，開關頻率分別為500kHz和1.0MHz

隨著環(huán)境溫度從25°C增加到80°C，LTC7051與競爭產(chǎn)品之間的溫差擴大到大約15°C，前者的溫度同樣更低。

●   器件開關節(jié)點性能

從圖7可以看出，LTC7051的漏源電壓(VDS)峰值低于競爭器件。此外，當負載提高到60A時，在競爭器件上測得的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，這同樣歸功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架構和內(nèi)部集成的自舉電容。因此，開關節(jié)點上的過沖更低，意味著EMI以及輻射和傳導噪聲更低，并且由于開關節(jié)點過壓應力降低，可靠性因而更高。

圖7 1V時的開關節(jié)點波形，分別在0A和60A負載下評估

●   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。可以看到，LTC7051的噪聲比競爭器件要小。噪聲降低的原因是Silent Switcher技術導致VDS尖峰更低且開關節(jié)點上的振蕩更小。如果沒有產(chǎn)生開關節(jié)點尖峰，則輸出不會有傳導噪聲。

圖8 1V時的輸出紋波波形，分別在0A和60A負載下評估

同樣，LTC7051和競爭器件也進行了輸出噪聲擴頻測量，如圖9所示。LTC7051優(yōu)于其他DrMOS器件，并顯示出在開關頻率下產(chǎn)生的噪聲低于競爭器件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。

圖9 輸出噪聲頻譜響應：電壓為1V，負載為60A，開關頻率為1MHz

結論

LTC7051 DrMOS演示平臺可用來公正地比較競爭產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS?架構和自舉電容集成到單個耐熱增強型封裝中，在高開關頻率下工作時可顯著提高功率轉換效率和熱性能。此外，LTC7051可以降低響鈴振蕩和尖峰能量，后者不僅表現(xiàn)在開關節(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，高尖峰能量和紋波造成的噪聲（它也會出現(xiàn)在輸出端）會消耗總體預算。功耗需求巨大的數(shù)據(jù)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（這會顯著降低，甚至最終得以消除）帶來的額外好處，同時濾波器設計和元件放置規(guī)定仍會得到正確遵守。綜上所述，LTC7051顯然是目前企業(yè)首選的功率級和DrMOS器件，可為VRM設計和應用需求提供有力支撐。

關于作者

Gary Sapia大約23年前開始為凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作。在此之前，他是Ashtech（后來為Magellan/Orbital Sciences）的模擬設計工程師。在GPS應用早期，Gary設計了GPS RF模擬前端解決方案。他還從事電源模擬電路、LNA、完整模擬前端、運算放大器和比較器解決方案、其他數(shù)據(jù)轉換器解決方案和最終產(chǎn)品測試系統(tǒng)的設計和故障排除工作。他的工作還包括編寫運行這些測試系統(tǒng)的軟件。在加入凌力爾特之后，Gary作為FAE被分配到灣區(qū)公司，并有幸與多個工程師合作進行幾種不同的模擬系統(tǒng)設計。40年來，他與不同的人員協(xié)作從事硬件工作，積累了豐富的經(jīng)驗，Gary現(xiàn)在是ADI新技術和市場拓展團隊的團隊領導，期待著幫助ADI繼續(xù)實現(xiàn)可盈利的未來增長。

Kareem Atout早在決定投身科技行業(yè)之前，他就開始搗鼓電子產(chǎn)品，自己組裝音響設備，而且經(jīng)常讓父母擔心Kareem會引起下一次停電！Kareem熱衷于探索創(chuàng)新電子技術，在電氣工程領域成功從業(yè)已25年。作為通信基礎設施的高級系統(tǒng)工程師，他在模擬和數(shù)字設計領域都積累了不少經(jīng)驗。他將積極樂觀的專業(yè)精神和富有靈感的設計應用于有線通信和電源系統(tǒng)，不斷打破障礙，促進了半導體行業(yè)的發(fā)展。

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的高級應用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數(shù)字設計、固件設計和電力電子領域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應用的電源管理需求。

Joseph Rommel Viernes是ADI菲律賓公司的一名電源應用工程師。他于2018年加入ADI公司。他先后在Emerson Network Power、Phihong Technology、Power Integrations等公司以及現(xiàn)在的ADI公司工作，擁有超過17年的電源設計經(jīng)驗。他的工作側重于工業(yè)和通信電源系統(tǒng)應用。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學，獲電子工程學士學位。

Marvin Neil Solis Cabue?as畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學，獲電子工程學士學位。在2021年加入ADI之前，Marvin曾在Azeus Systems菲律賓公司擔任系統(tǒng)工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔任網(wǎng)絡工程師（2014年至2017年），并在2017年至2020年擔任諾基亞技術中心菲律賓公司的研發(fā)工程師。他在不同領域擁有超過9年的工作經(jīng)驗，如嵌入式系統(tǒng)編程、數(shù)字信號處理、仿真建模等。目前擔任高級固件工程師，負責ADI電源事業(yè)部的不同項目。目前正在攻讀菲律賓大學電氣工程碩士學位。