单芯片驱动器+ MOSFET技术 改善电源系统设计

本文介绍最新的驱动器+MOSFET（DrMOS）技术及其在稳压器模块（VRM）应用中的优势。单芯片DrMOS组件使电源系统能够大幅提高功率密度、效率和热性能，进而增强最终应用的整体性能。

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，这些组件需要的功率急剧增加。微处理器所需的此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，电源产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，整合到单一芯片中并采用高阶封装，从而实现精巧高效的功率转换。此种DrMOS功率级优化了高速功率转换。

随着对此种功率级（被称为智慧功率级）的需求稳步成长，以及功率切换技术不断进步，ADI推出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，并整合自举电路，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，提升性能。此组件还提供过温保护（OTP）、输入过压保护（VIN OVP）和欠压闭锁（UVLO）保护等安全特性。

SilentMOS智能功率级
LTC7051属于LTC705x DrMOS系列，为一款140A单芯片智能功率模块，将高速驱动器与高质量因子（FOM）顶部和底部功率MOSFET以及全面的监控保护电路，整合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高效率、低噪声、高密度的功率转换。此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，如图一所示。其充当降压转换器的主要开关电路，与之配合的是 LTC3861 —具有精准均流特性的双信道多相降压电压模式DC-DC控制器。

ADI建立一个评估板展示LTC7051的主要性能。此展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。该展示平台用于展现DrMOS性能指针，而与制造商无关。


图一 : 双相POL转换器

DrMOS分析评估硬件
该分析展示硬件具有的特性如下：

‧ 一个PWM控制器，能在宽广范围的输入和输出电压及切换频率下运行。在此应用中，控制器是 LTC7883，其为一款四路输出多相降压DC-DC电压模式控制器，如图二所示。

‧ LTC7051和竞争组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和竞争组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撷取和测量热量。



图二 : 分析展示板架构

DrMOS分析展示板如图三所示。该板经过精心设计具备关键的特性。组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，布局布线和层堆栈也对称进行。


图三 : 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
除了展示板本身之外，测试设定和测试方法对于数据和结果的公正同样很重要。为此，团队建立一个具有图形用户界面（GUI）的配套评估软件，如图四所示，以支持用户更加轻松地展开测试和收集数据。

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、电子负载和多任务数据采集组件（DAQ），以直接从展示板测量温度、电流和电压数据，然后在GUI上呈现测量结果曲线。软件并透过PMBus/I2C协议收集来自板载组件的重要遥测数据，这些信息对于比较系统效率和功率损耗都很重要。


图四 : DrMOS评估软件，显示了配置和热分析选项卡

测试结果
以下测试结果涵盖稳态性能测量、功能性能波形、热测量和输出噪声测量。使用如下的配置对展示板进行测试：

‧ 输入电压：12 V
‧ 输出电压：1 V
‧ 输出负载：0 A至60 A
‧ 切换频率：500 kHz和1 MHz

性能数据
效率与功率损耗
图五中的测试结果显示，在500 kHz的切换频率下，相较于竞争组件，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。随着切换频率从500 kHz进一步提高到1 MHz，LTC7051的效率也变得更好（提高0.95%）。

图五 : 1 V时的效率和功率损耗，负载为0 A至60 A，切换频率分别为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切换频率下，LTC7051的效率性能优良。此为ADI已获专利的Silent Switcher技术的优势，该技术提升切换边缘速率并缩短死区时间，从而降低总功率损耗。这使得更精巧尺寸解决方案能以更高切换频率工作，而不会明显影响整体效率；当总功率损耗越低，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摄氏3度至10度的温差，前者的温度更低，如图六所示。LTC7051的良好性能归功于其精心设计的耐热增强型封装。


图六 : 1 V输出时的典型性能，负载为60 A，切换频率分别为500 kHz和1.0 MHz

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

组件切换节点性能
从图七可以看出，LTC7051的漏源电压（VDS）峰值低于竞争组件。此外，当负载提高到60 A时，在竞争组件上测得的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，同样归功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架构和内部整合的自举电容。因此，切换节点上的过冲更低，表示EMI以及辐射和传导噪声更低，并且由于切换节点过压应力降低，可靠性因而更高。


图七 : 1 V时的开关节点波形，分别在0 A和60 A负载下评估

组件输出涟波性能
另一个参数是图八所示的输出电压涟波。可以看到LTC7051的噪声比竞争组件要小。噪声降低的原因是Silent Switcher技术导致VDS尖峰更低且切换节点上的振荡更小。如果没有产生切换节点尖峰，则输出不会有传导噪声。


图八 : 1 V时的输出涟波波形，分别在0 A和60 A负载下评估

同样的，LTC7051和竞争组件也进行了输出噪声扩频测量，如图九所示。LTC7051优于其他DrMOS组件，并显示出在切换频率下产生的噪声低于竞争组件的噪声。噪声差约为1 mV rms。


图九 : 输出噪声频谱响应：电压为1 V，负载为60 A，切换频率为1 MHz

结论
LTC7051 DrMOS展示平台可用来公正地比较竞争产品。LTC7051将SilentMOS架构和自举电容整合到单个耐热增强型封装中，在高切换频率下工作时可明显提升功率转换效率和热性能。此外，LTC7051可降低响铃振荡和尖峰能量，后者不仅表现在切换节点上，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。然而高尖峰能量和涟波造成的噪声（其也会出现在输出端）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（这会明显降低，甚至最终得以消除）带来的额外好处，同时滤波器设计和组件放置规定仍会得到正确遵守。综上所述，功率级和DrMOS组件得以满足VRM设计和应用需求。

（本文作者为ADI 资深应用开发工程师Christan Cruz、电源应用工程师 Joseph Viernes、资深系统工程师Kareem Atout、团队主管Gary Sapia、资深任韧体工程师 Marvin Neil Solis Cabuenas）