单片驱动器+ MOSFET (DrMOS)技术如何改善电源系统设计

引言

随着技术的进步，多核架构使微处理器在水平尺度上变得更密集、更快速。因此，这些器件需要的功率急剧增加。微处理器所需的这种电源由稳压器模块(VRM)提供。

在该领域，推动稳压器发展的主要有两个参数。首先是稳压器的功率密度（单位体积的功率），为了在有限空间中满足系统的高功率要求，必须大幅提高功率密度。另一个参数是功率转换效率，高效率可降低功率损耗并改善热管理。

随着发展挑战不断演变，电源行业将找到满足相应要求的办法。一种解决方案是将先进的开关MOSFET（稳压器的主要组成部分）及其相应的驱动器集成到单个芯片中并采用高级封装，从而实现紧凑高效的功率转换。这种DrMOS功率级优化了高速功率转换。

随着对这种功率级（被称为智能功率级）的需求稳步增长，以及功率开关技术不断进步，ADI公司推出了DrMOS版本的智能功率模块。LTC705x DrMOS系列利用ADI已获专利的Silent Switcher? 2架构，并集成了自举电路，使得DrMOS模块能够以超快速度切换，同时降低了功率损耗和开关节点电压过冲，提高了性能。LTC705x DrMOS器件还提供过温保护(OTP)、输入过压保护(VIN OVP)和欠压闭锁(UVLO)保护等安全特性。

LTC7051 SilentMOS智能功率级

LTC7051属于LTC705x DrMOS系列，是一款140A单片智能功率模块，它成功地将高速驱动器与高品质因数(FOM)顶部和底部功率MOSFET以及全面的监控保护电路集成到一个电和热优化的封装中。与合适的PWM控制器一起，这款智能功率级可提供市场一流的高效率、低噪声、高密度的功率转换。这种组合使大电流稳压器模块具备最新的效率和瞬态响应技术。LTC7051的典型应用如图1所示。它充当降压转换器的主要开关电路，与之配合的是 LTC3861 ——具有精确均流特性的双通道多相降压电压模式DC-DC控制器。

为了演示LTC7051的主要特性，ADI公司创建了一个评估板，用以展示LTC7051与竞争产品的性能对比。这种演示平台有助于以一种公正、准确的方式比较LTC7051 DrMOS与竞争产品的基本参数，例如效率、功率损耗、遥测精度、热和电气性能。比较的目的是消除对结果有效性的任何怀疑。该演示平台用于突出一流的DrMOS性能指标，而与制造商无关。

图1.双相POL转换器

DrMOS分析评估硬件

该分析演示硬件具有如下重要特性：

●    一个PWM控制器，它能在宽范围的输入和输出电压及开关频率下运行。在此应用中，控制器是 LTC7883，它是一款四路输出多相降压DC-DC电压模式控制器，如图2所示。

●    LTC7051和竞争器件使用相同的功率级设计。

●    LTpowerPlay?电源系统管理环境用于全面遥测LTC7883提供的系统性能。

●    根据ADI和竞争器件的指定工作温度范围，可以承受扩展的环境温度。

●    电路板设计用于轻松捕获和测量热量。

图2.分析演示板框图

DrMOS分析演示板如图3所示。该板经过精心设计，具备前面提到的关键特性。元件对称且系统地放置在每个电源轨上，并具有相同的PCB尺寸和面积，以限制电源轨之间的差异。布局布线和层堆叠也是对称进行的。

图3.DrMOS评估板，顶部和底部。PCB尺寸：203 mm × 152 mm × 1.67 mm (L × H × W)，2 盎司铜厚度

DrMOS分析测试方法和软件

除了演示板本身之外，测试设置和测试方法对于数据和结果的公正同样很重要。为此，团队还创建了一个具有图形用户界面(GUI)的配套评估软件，如图4所示，以支持用户更加轻松地开展测试和收集数据。用户只需要指定输入和输出参数，软件将负责自动化测试。软件自动控制相应的测试和测量设备，例如直流电源、电子负载和多路复用数据采集器件(DAQ)，以直接从演示板测量温度、电流和电压数据，然后在GUI上呈现测量结果曲线。软件还通过PMBus/I2C协议收集来自板载器件的重要遥测数据。所有这些信息对于比较系统效率和功率损耗都很重要。

图4.DrMOS评估软件，显示了配置和热分析选项卡

数据与结果

以下测试结果涵盖了稳态性能测量、功能性能波形、热测量和输出噪声测量。使用如下配置对演示板进行了测试：

●    输入电压：12 V

●    输出电压：1 V

●    输出负载：0 A至60 A

●    开关频率：500 kHz和1 MHz

●    性能数据

效率与功率损耗

图5中的测试结果表明，在500 kHz的开关频率下，与竞争器件相比，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。随着开关频率从500 kHz进一步提高到1 MHz，LTC7051的效率也变得更好（提高0.95%）。

图5.1 V时的效率和功率损耗，负载为0 A至60 A，开关频率分别为500 kHz和1 MHz

效率性能

值得注意的是，在高输出负载电流和较高开关频率下，LTC7051的效率性能优于竞争产品。这是ADI已获专利的Silent Switcher技术的优势，该技术改进了开关边沿速率并缩短了死区时间，从而降低了总功率损耗。这使得更小尺寸解决方案能以更高开关频率工作，而不会显著影响整体效率。总功率损耗越低，工作温度就越低，输出电流因而越高，功率密度得以大幅提高。

热性能

LTC7051在效率和功率损耗方面的优势也有利于其实现更好的热性能。在LTC7051和竞争产品之间观察到大约3°C至10°C的温差，前者的温度更低，如图6所示。LTC7051的这种更好的性能要归功于其精心设计的耐热增强型封装。

图6.1 V输出时的典型性能，负载为60 A，开关频率分别为500 kHz和1.0 MHz

随着环境温度从25°C增加到80°C，LTC7051与竞争产品之间的温差扩大到大约15°C，前者的温度同样更低。

器件开关节点性能

从图7可以看出，LTC7051的漏源电压(VDS)峰值低于竞争器件。此外，当负载提高到60 A时，在竞争器件上测得的VDS处于峰值，同时可以看到长时间的振荡。但是，LTC7051设法减小了尖峰和振荡，这同样归功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架构和内部集成的自举电容。因此，开关节点上的过冲更低，意味着EMI以及辐射和传导噪声更低，并且由于开关节点过压应力降低，可靠性因而更高。

图7.1 V时的开关节点波形，分别在0 A和60 A负载下评估

器件输出纹波性能

另一个参数是图8所示的输出电压纹波。可以看到，LTC7051的噪声比竞争器件要小。噪声降低的原因是Silent Switcher技术导致VDS尖峰更低且开关节点上的振荡更小。如果没有产生开关节点尖峰，则输出不会有传导噪声。

图8.1 V时的输出纹波波形，分别在0 A和60 A负载下评估

同样，LTC7051和竞争器件也进行了输出噪声扩频测量，如图9所示。LTC7051优于其他DrMOS器件，并显示出在开关频率下产生的噪声低于竞争器件的噪声。噪声差约为1 mV rms。

图9.输出噪声频谱响应：电压为1 V，负载为60 A，开关频率为1 MHz

结论

LTC7051 DrMOS演示平台可用来公正地比较竞争产品。LTC7051将SilentMOS?架构和自举电容集成到单个耐热增强型封装中，在高开关频率下工作时可显著提高功率转换效率和热性能。此外，LTC7051可以降低响铃振荡和尖峰能量，后者不仅表现在开关节点上，而且会传播到输出端。在实际应用中，输出负载需要严格的容差，其中之一是标称直流。然而，高尖峰能量和纹波造成的噪声（它也会出现在输出端）会消耗总体预算。功耗需求巨大的数据中心将能节省相当多的电能和成本，更不用说更少热管理和EMI（这会显著降低，甚至最终得以消除）带来的额外好处，同时滤波器设计和元件放置规定仍会得到正确遵守。综上所述，LTC7051应当是您的首选功率级和DrMOS器件，它能满足您的VRM设计和应用需求。

来源：ADI，作者：Christan Cruz, Joseph Viernes, Kareem Atout, Gary Sapia, 和 Marvin Neil Solis Cabue?as