電源系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化秘技:單片驅(qū)動器+MOSFET(DrMOS)
現(xiàn)階段,多核架構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)換效率提升,高效率可降低功率損耗并改善熱管理。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202210/439416.htm目前電源行業(yè)一種公認(rèn)的解決方案,是將先進(jìn)的開關(guān)MOSFET(穩(wěn)壓器的主要組成部分)及其相應(yīng)的驅(qū)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(zhuǎn)換。這種DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)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(guān)技術(shù)不斷進(jìn)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(gòu),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(guān)節(jié)點電壓過沖,提高了性能。LTC705x DrMOS器件還提供過溫保護(hù)(OTP)、輸入過壓保護(hù)(VIN OVP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護(hù)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(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)控保護(hù)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(zhuǎn)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(yīng)技術(shù)。LTC7051的典型應(yīng)用如圖1所示。它充當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的主要開關(guān)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(jié)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(biāo),而與制造商無關(guān)。
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(guān)頻率下運行。在此應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計,具備前面提到的關(guān)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(jìn)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(shè)置和測試方法對于數(shù)據(jù)和結(jié)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(fù)責(zé)自動化測試。軟件自動控制相應(yīng)的測試和測量設(shè)備,例如直流電源、電子負(fù)載和多路復(fù)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(jié)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(jié)果
以下測試結(jié)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(jìn)行了測試:
■ 輸入電壓:12V
■ 輸出電壓:1V
■ 輸出負(fù)載:0A至60A
■ 開關(guān)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(jié)果表明,在500kHz的開關(guān)頻率下,與競爭器件相比,LTC7051的效率更高(高出0.70%)。隨著開關(guān)頻率從500kHz進(jìn)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(fù)載為0A至60A,開關(guān)頻率分別為500kHz和1MHz
● 效率性能
值得注意的是,在高輸出負(fù)載電流和較高開關(guān)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(shù)的優(yōu)勢,該技術(shù)改進(jìn)了開關(guān)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(guān)頻率工作,而不會顯著影響整體效率。總功率損耗越低,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(shè)計的耐熱增強型封裝。
圖6 1V輸出時的典型性能,負(fù)載為60A,開關(guān)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(guān)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(dāng)負(fù)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(shè)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(gòu)和內(nèi)部集成的自舉電容。因此,開關(guān)節(jié)點上的過沖更低,意味著EMI以及輻射和傳導(dǎo)噪聲更低,并且由于開關(guān)節(jié)點過壓應(yīng)力降低,可靠性因而更高。
圖7 1V時的開關(guān)節(jié)點波形,分別在0A和60A負(fù)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??梢钥吹?,LTC7051的噪聲比競爭器件要小。噪聲降低的原因是Silent Switcher技術(shù)導(dǎo)致VDS尖峰更低且開關(guān)節(jié)點上的振蕩更小。如果沒有產(chǎn)生開關(guān)節(jié)點尖峰,則輸出不會有傳導(dǎo)噪聲。
圖8 1V時的輸出紋波波形,分別在0A和60A負(fù)載下評估
同樣,LTC7051和競爭器件也進(jìn)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(guān)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(yīng):電壓為1V,負(fù)載為60A,開關(guān)頻率為1MHz
結(jié)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(gòu)和自舉電容集成到單個耐熱增強型封裝中,在高開關(guān)頻率下工作時可顯著提高功率轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)點上,而且會傳播到輸出端。在實際應(yīng)用中,輸出負(fù)載需要嚴(yán)格的容差,其中之一是標(biāo)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(yù)算。功耗需求巨大的數(shù)據(jù)中心將能節(jié)省相當(dāng)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(shè)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(shè)計和應(yīng)用需求提供有力支撐。
關(guān)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(shè)計工程師。在GPS應(yīng)用早期,Gary設(shè)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(zhuǎn)換器解決方案和最終產(chǎn)品測試系統(tǒng)的設(shè)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(jìn)行幾種不同的模擬系統(tǒng)設(shè)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(shù)和市場拓展團隊的團隊領(lǐng)導(dǎo),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(shè)備,而且經(jīng)常讓父母擔(dān)心Kareem會引起下一次停電!Kareem熱衷于探索創(chuàng)新電子技術(shù),在電氣工程領(lǐng)域成功從業(yè)已25年。作為通信基礎(chǔ)設(shè)施的高級系統(tǒng)工程師,他在模擬和數(shù)字設(shè)計領(lǐng)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(shè)計應(yīng)用于有線通信和電源系統(tǒng),不斷打破障礙,促進(jìn)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的高級應(yīng)用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數(shù)字設(shè)計、固件設(shè)計和電力電子領(lǐng)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(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司,目前負(fù)責(zé)支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。
Joseph Rommel Viernes是ADI菲律賓公司的一名電源應(yīng)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(shè)計經(jīng)驗。他的工作側(cè)重于工業(yè)和通信電源系統(tǒng)應(yīng)用。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué),獲電子工程學(xué)士學(xué)位。
Marvin Neil Solis Cabue?as畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué),獲電子工程學(xué)士學(xué)位。在2021年加入ADI之前,Marvin曾在Azeus Systems菲律賓公司擔(dān)任系統(tǒng)工程師,然后在Technistock菲律賓公司擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)工程師(2014年至2017年),并在2017年至2020年擔(dān)任諾基亞技術(shù)中心菲律賓公司的研發(fā)工程師。他在不同領(lǐng)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(dān)任高級固件工程師,負(fù)責(zé)ADI電源事業(yè)部的不同項目。目前正在攻讀菲律賓大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。
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