單芯片驅(qū)動器+ MOSFET技術(shù) 改善電源系統(tǒng)設計
本文介紹最新的驅(qū)動器+ MOSFET(DrMOS)技術(shù)及其在穩(wěn)壓器模塊(VRM)應用中的優(yōu)勢。單芯片DrMOS組件使電源系統(tǒng)能夠大幅提高功率密度、效率和熱性能,進而增強最終應用的整體性能。
隨著技術(shù)的進步,多核架構(gòu)使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速。因此,這些組件需要的功率急劇增加。微處理器所需的此種電源由穩(wěn)壓器模塊(VRM)提供。
在該領域,推動穩(wěn)壓器發(fā)展的主要有兩個參數(shù)。首先是穩(wěn)壓器的功率密度(單位體積的功率),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。另一個參數(shù)是功率轉(zhuǎn)換效率,高效率可降低功率損耗并改善熱管理。
隨著發(fā)展挑戰(zhàn)不斷演變,電源產(chǎn)業(yè)將找到滿足相應要求的辦法。一種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(qū)動器,整合到單一芯片中并采用高階封裝,從而實現(xiàn)精巧高效的功率轉(zhuǎn)換。此種DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉(zhuǎn)換。
隨著對此種功率級(被稱為智慧功率級)的需求穩(wěn)步成長,以及功率切換技術(shù)不斷進步,ADI推出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),并整合自舉電路,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,提升性能。此組件還提供過溫保護(OTP)、輸入過壓保護(VIN OVP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護等安全特性。
SilentMOS智能功率級
LTC7051屬于LTC705x DrMOS系列,為一款140A單芯片智能功率模塊,將高速驅(qū)動器與高質(zhì)量因子(FOM)頂部和底部功率MOSFET以及全面的監(jiān)控保護電路,整合到一個電和熱優(yōu)化的封裝中。與合適的PWM控制器一起,這款智能功率級可提供高效率、低噪聲、高密度的功率轉(zhuǎn)換。此種組合使大電流穩(wěn)壓器模塊具備最新的效率和瞬態(tài)響應技術(shù)。
LTC7051的典型應用,如圖一所示。其充當降壓轉(zhuǎn)換器的主要開關電路,與之配合的是 LTC3861 —具有精準均流特性的雙信道多相降壓電壓模式DC-DC控制器。
ADI建立一個評估板展示LTC7051的主要性能。此展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。該展示平臺用于展現(xiàn)DrMOS性能指針,而與制造商無關。
圖一 : 雙相POL轉(zhuǎn)換器
DrMOS分析評估硬件
該分析展示硬件具有的特性如下:
? 一個PWM控制器,能在寬廣范圍的輸入和輸出電壓及切換頻率下運行。在此應用中,控制器是 LTC7883,其為一款四路輸出多相降壓DC-DC電壓模式控制器,如圖二所示。
? LTC7051和競爭組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和競爭組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擷取和測量熱量。
圖二 : 分析展示板架構(gòu)
DrMOS分析展示板如圖三所示。該板經(jīng)過精心設計具備關鍵的特性。組件對稱且系統(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,布局布線和層堆棧也對稱進行。
圖三 : DrMOS評估板,頂部和底部。PCB尺寸:203 mm × 152 mm × 1.67 mm (L × H × W),2 盎司銅厚度
DrMOS分析測試方法和軟件
除了展示板本身之外,測試設定和測試方法對于數(shù)據(jù)和結(jié)果的公正同樣很重要。為此,團隊建立一個具有圖形用戶界面(GUI)的配套評估軟件,如圖四所示,以支持用戶更加輕松地展開測試和收集數(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、電子負載和多任務數(shù)據(jù)采集組件(DAQ),以直接從展示板測量溫度、電流和電壓數(shù)據(jù),然后在GUI上呈現(xiàn)測量結(jié)果曲線。軟件并透過PMBus/I2C協(xié)議收集來自板載組件的重要遙測數(shù)據(jù),這些信息對于比較系統(tǒng)效率和功率損耗都很重要。
圖四 : DrMOS評估軟件,顯示了配置和熱分析選項卡
測試結(jié)果
以下測試結(jié)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。使用如下的配置對展示板進行測試:
? 輸入電壓:12 V
? 輸出電壓:1 V
? 輸出負載:0 A至60 A
? 切換頻率:500 kHz和1 MHz
性能數(shù)據(jù)
效率與功率損耗
圖五中的測試結(jié)果顯示,在500 kHz的切換頻率下,相較于競爭組件,LTC7051的效率更高(高出0.70%)。隨著切換頻率從500 kHz進一步提高到1 MHz,LTC7051的效率也變得更好(提高0.95%)。
圖五 : 1 V時的效率和功率損耗,負載為0 A至60 A,切換頻率分別為500 kHz和1 MHz
效率性能
值得注意的是,在高輸出負載電流和較高切換頻率下,LTC7051的效率性能優(yōu)良。此為ADI已獲專利的Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢,該技術(shù)提升切換邊緣速率并縮短死區(qū)時間,從而降低總功率損耗。這使得更精巧尺寸解決方案能以更高切換頻率工作,而不會明顯影響整體效率;當總功率損耗越低,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)品之間觀察到大約攝氏3度至10度的溫差,前者的溫度更低,如圖六所示。LTC7051的良好性能歸功于其精心設計的耐熱增強型封裝。
圖六 : 1 V輸出時的典型性能,負載為60 A,切換頻率分別為500 kHz和1.0 MHz
隨著環(huán)境溫度從攝氏25度增加到80度,LTC7051與競爭產(chǎn)品之間的溫差擴大到大約15度,前者的溫度同樣更低。
組件切換節(jié)點性能
從圖七可以看出,LTC7051的漏源電壓(VDS)峰值低于競爭組件。此外,當負載提高到60 A時,在競爭組件上測得的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,同樣歸功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架構(gòu)和內(nèi)部整合的自舉電容。因此,切換節(jié)點上的過沖更低,表示EMI以及輻射和傳導噪聲更低,并且由于切換節(jié)點過壓應力降低,可靠性因而更高。
圖七 : 1 V時的開關節(jié)點波形,分別在0 A和60 A負載下評估
組件輸出漣波性能
另一個參數(shù)是圖八所示的輸出電壓漣波。可以看到LTC7051的噪聲比競爭組件要小。噪聲降低的原因是Silent Switcher技術(shù)導致VDS尖峰更低且切換節(jié)點上的振蕩更小。如果沒有產(chǎn)生切換節(jié)點尖峰,則輸出不會有傳導噪聲。
圖八 : 1 V時的輸出漣波波形,分別在0 A和60 A負載下評估
同樣的,LTC7051和競爭組件也進行了輸出噪聲擴頻測量,如圖九所示。LTC7051優(yōu)于其他DrMOS組件,并顯示出在切換頻率下產(chǎn)生的噪聲低于競爭組件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。
圖九 : 輸出噪聲頻譜響應:電壓為1 V,負載為60 A,切換頻率為1 MHz
結(jié)論
LTC7051 DrMOS展示平臺可用來公正地比較競爭產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS架構(gòu)和自舉電容整合到單個耐熱增強型封裝中,在高切換頻率下工作時可明顯提升功率轉(zhuǎn)換效率和熱性能。此外,LTC7051可降低響鈴振蕩和尖峰能量,后者不僅表現(xiàn)在切換節(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。然而高尖峰能量和漣波造成的噪聲(其也會出現(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(這會明顯降低,甚至最終得以消除)帶來的額外好處,同時濾波器設計和組件放置規(guī)定仍會得到正確遵守。綜上所述,功率級和DrMOS組件得以滿足VRM設計和應用需求。
(本文作者為ADI 資深應用開發(fā)工程師Christan Cruz、電源應用工程師 Joseph Viernes、資深系統(tǒng)工程師Kareem Atout、團隊主管Gary Sapia、資深任韌體工程師 Marvin Neil Solis Cabuenas)
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