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    單片驅動器+ MOSFET (DrMOS)技術如何改善電源系統設計

    作者:時間:2022-07-27來源:ADI收藏

    本文介紹最新的驅動器+ (DrMOS)技術及其在穩壓器模塊(VRM)應用中的優勢。單片DrMOS器件使電源系統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。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202207/436693.htm


    引言


    隨著技術的進步,多核架構使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速。因此,這些器件需要的功率急劇增加。微處理器所需的這種電源由穩壓器模塊(VRM)提供。


    在該領域,推動穩壓器發展的主要有兩個參數。首先是穩壓器的功率密度(單位體積的功率),為了在有限空間中滿足系統的高功率要求,必須大幅提高功率密度。另一個參數是功率轉換效率,高效率可降低功率損耗并改善熱管理。


    隨著發展挑戰不斷演變,電源行業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(穩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,從而實現緊湊高效的功率轉換。這種DrMOS功率級優化了高速功率轉換。


    隨著對這種功率級(被稱為智能功率級)的需求穩步增長,以及功率開關技術不斷進步,公司推出了DrMOS版本的智能功率模塊。LTC705x DrMOS系列利用已獲專利的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(FOM)頂部和底部功率以及全面的監控保護電路集成到一個電和熱優化的封裝中。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壓器模塊具備最新的效率和瞬態響應技術。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。


    為了演示LTC7051的主要特性,公司創建了一個評估板,用以展示LTC7051與競爭產品的性能對比。這種演示平臺有助于以一種公正、準確的方式比較LTC7051 DrMOS與競爭產品的基本參數,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。


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    圖1.雙相POL轉換器


    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?電源系統管理環境用于全面遙測LTC7883提供的系統性能。

    ●    根據ADI和競爭器件的指定工作溫度范圍,可以承受擴展的環境溫度。

    ●    電路板設計用于輕松捕獲和測量熱量。


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    圖2.分析演示板框圖


    DrMOS分析演示板如圖3所示。該板經過精心設計,具備前面提到的關鍵特性。元件對稱且系統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。


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    圖3.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


    除了演示板本身之外,測試設置和測試方法對于數據和結果的公正同樣很重要。為此,團隊還創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據。用戶只需要指定輸入和輸出參數,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據采集器件(DAQ),以直接從演示板測量溫度、電流和電壓數據,然后在GUI上呈現測量結果曲線。軟件還通過PMBus/I2C協議收集來自板載器件的重要遙測數據。所有這些信息對于比較系統效率和功率損耗都很重要。


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    圖4.DrMOS評估軟件,顯示了配置和熱分析選項卡


    數據與結果


    以下測試結果涵蓋了穩態性能測量、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:12 V

    ●    輸出電壓:1 V

    ●    輸出負載:0 A至60 A

    ●    開關頻率:500 kHz和1 MHz

    ●    性能數據


    效率與功率損耗


    圖5中的測試結果表明,在500 kHz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500 kHz進一步提高到1 MHz,LTC7051的效率也變得更好(提高0.95%)。


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    圖5.1 V時的效率和功率損耗,負載為0 A至60 A,開關頻率分別為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開關頻率下,LTC7051的效率性能優于競爭產品。這是ADI已獲專利的Silent Switcher技術的優勢,該技術改進了開關邊沿速率并縮短了死區時間,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勢也有利于其實現更好的熱性能。在LTC7051和競爭產品之間觀察到大約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。


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    圖6.1 V輸出時的典型性能,負載為60 A,開關頻率分別為500 kHz和1.0 MHz


    隨著環境溫度從25°C增加到80°C,LTC7051與競爭產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60 A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架構和內部集成的自舉電容。因此,開關節點上的過沖更低,意味著EMI以及輻射和傳導噪聲更低,并且由于開關節點過壓應力降低,可靠性因而更高。


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    圖7.1 V時的開關節點波形,分別在0 A和60 A負載下評估


    器件輸出紋波性能


    另一個參數是圖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技術導致VDS尖峰更低且開關節點上的振蕩更小。如果沒有產生開關節點尖峰,則輸出不會有傳導噪聲。


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    圖8.1 V時的輸出紋波波形,分別在0 A和60 A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優于其他DrMOS器件,并顯示出在開關頻率下產生的噪聲低于競爭器件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。


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    圖9.輸出噪聲頻譜響應:電壓為1 V,負載為60 A,開關頻率為1 MHz


    結論


    LTC7051 DrMOS演示平臺可用來公正地比較競爭產品。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,后者不僅表現在開關節點上,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(它也會出現在輸出端)會消耗總體預算。功耗需求巨大的數據中心將能節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定仍會得到正確遵守。綜上所述,LTC7051應當是您的首選功率級和DrMOS器件,它能滿足您的VRM設計和應用需求。


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



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