单片式驱动器和MOSFET技术如何改进电源系统设计

作者：Christan Cruz， Joseph Viernes， Kareem Atout， Gary Sapia， and Marvin Neil Solis Cabueñas

本文介绍最新的驱动器加MOSFET（DrMOS）技术及其在稳压器模块（VRM）应用中的优势。单片DrMOS器件使电源系统在功率密度、效率和热性能方面得到极大改善，从而可以提高终端应用的整体性能。

介绍

通过技术的进步，由于多核架构，微处理器在水平范围内变得更加密集和快速。因此，这些设备所需的相应功率急剧增加。微处理器的这种功率由稳压器模块（VRM）提供。

有两个主要参数推动了该领域稳压器的发展。首先是稳压器的功率密度（单位体积功率），必须急剧增加，以满足系统在有限空间内的高功率要求。另一个参数是功率转换效率，可降低功率损耗并改善热管理。

随着发展挑战的不断发展，电力行业将找到满足相应要求的方法。一种解决方案在单个单片芯片中集成了先进的开关MOSFET（稳压器的主要构建模块）及其相应的驱动器，从而实现紧凑高效的功率转换。这些DrMOS功率级优化了高速功率转换。

随着对这些功率级（称为智能功率级）的需求稳步增长，电源开关技术不断进步，ADI公司推出了DrMOS智能功率模块版本。LTC705x DrMOS 系列利用 ADI 获得专利的静音切换器 2 架构以及集成自举电路，使 DrMOS 模块能够以超快的速度进行开关，同时降低功率损耗和开关节点电压过冲，从而改善性能。LTC705x DrMOS 器件还提供过热保护 （OTP）、输入过压保护 （V®在过压保护）和欠压锁定 （UVLO） 保护。

LTC7051 静音MOS智能功率级

LTC7051是LTC705x DrMOS系列的成员，是一款140 A单片式智能电源模块，成功地将高速驱动器与高品质因数（FOM）顶部和底部功率MOSFET以及全面的监控和保护电路集成在一个电气和散热优化封装中。与合适的PWM控制器一起，该智能功率级可为市场提供业界最高的效率、最低噪声和最高密度的功率转换。这种组合为高电流稳压器模块配备了最新的效率和瞬态响应技术。LTC7051的典型应用如图1所示。它可用作降压型 （降压） 转换器的主开关电路，并与具有准确均流功能的双通道、多相降压型电压模式 DC-DC 控制器结合使用。

为了演示LTC7051的主要特性，ADI公司创建了一个评估板，以展示LTC7051与竞争产品的性能。这种演示平台有助于以公正、准确的方式将LTC7051 DrMOS的效率、功率损耗、遥测精度、热和电气性能等基本参数与竞争产品的基本参数进行比较。比较的目的是消除对结果有效性的任何怀疑。所述演示平台用于突出显示一流的DrMOS性能指标，无论制造商如何。

图1.双相POL转换器。

DrMOS 分析评估硬件

分析演示硬件具有以下主要功能：

可在宽输入和输出电压以及开关频率范围内工作的 PWM 控制器。在本应用中，控制器为四路输出多相降压型DC-DC电压模式控制器LTC7883，如图2所示。

LTC7051 和竞争器件的功率级设计相同。

LTpowerPlaypower系统管理环境，用于LTC7883提供全面的系统性能遥测。®

可承受符合ADI和竞争器件指定工作温度范围的扩展环境温度。

电路板设计用于轻松进行热捕获和测量。

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，包括前面提到的关键功能。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。布局布线和图层堆叠也是对称完成的。

图3.DrMOS评估板，顶部和底部。印刷电路板尺寸：203 毫米× 152 毫米× 1.67 毫米（长×高×宽），铜厚度为 2 盎司。

DrMOS分析测试方法和软件

除了演示板本身，测试设置和测试方法对于无偏数据和结果同样重要。为此，该团队还创建了一个带有图形用户界面（GUI）的补充评估软件，如图4所示，以提供更加用户友好的测试和数据收集方法。用户只需要指定输入和输出参数，软件就会负责自动测试。该软件自动控制相应的测试和测量设备，如直流电源、电子负载和多路复用数据采集设备（DAQ），直接从演示板测量温度、电流和电压数据，然后在GUI上绘制这些测量值。软件还通过 PMBus/I 收集来自车载设备的重要遥测数据2C 协议。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，显示配置和热分析选项卡。

数据和结果

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。该演示板经过以下配置测试：

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

效率和功率损耗

图5中的测试结果显示，在500 kHz的开关频率下，LTC7051与竞争对手相比具有更高的效率（高出0.70%）。随着开关频率从500 kHz进一步增加到1 MHz，LTC7051也提供了更好的效率（高出0.95%）。

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

效率性能

值得注意的是，LTC7051 在高输出负载电流和高开关频率下的效率性能高于竞争对手。这就是ADI公司专利静音开关技术的优势所在，该技术可改善开关边沿速率并缩短死区时间，从而降低总功耗。这样可以以更小的解决方案尺寸实现更高的开关频率操作，而不会对整体效率产生重大影响。总功率损耗越低，工作温度越低，电流输出越高，从而显著提高功率密度。

热性能

LTC7051 在效率和功率损耗方面的优势也转化为其更好的热性能。LTC7051 与竞争对手产品之间的温差约为 3°C 至 10°C，前者的温度更低，如图 6 所示。LTC7051 之所以能够获得更好的性能，是因为其精心设计的耐热性能增强型封装。

图6.1 V 输出、60 A 负载、500 kHz 和 1.0 MHz 开关频率下的热性能。

随着环境温度从 25°C 增加到 80°C，LTC7051 与其竞争对手之间的温差扩大到约 15°C，前者再次变得更冷。

设备交换机节点性能

从图7可以看出，LTC7051的漏源电压（VDS） 峰值小于竞争对手设备的峰值。此外，随着负载增加到 60 A，VDS竞争对手的测量值处于峰值，同时可以看到长时间的振荡。另一方面，LTC7051 设法实现了较小的尖峰并减小了振荡，这同样是由于 LTC705x DrMOS 系列内部的静音开关器 2 架构和集成自举电容器。这将转化为开关节点上的过冲更低，这意味着EMI降低，以及辐射和传导噪声，以及随着开关节点过压应力降低而更高的可靠性。

图7.1 V时的开关节点波形分别在0 A和60 A负载下进行评估。

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。可以看出，LTC7051表现出的噪声比竞争对手的器件要小。降低噪声是由于较低的V值DS开关节点上的尖峰和最小振荡，这是静音切换器技术的结果。如果未产生开关节点尖峰，则输出没有传导噪声。

图8.1 V时的输出纹波波形分别在0 A和60 A负载下进行评估。

同样，LTC7051和竞争器件也受到输出噪声扩频测量，如图9所示。LTC7051 的性能优于其他 DrMOS 器件，并表明开关频率处产生的噪声低于竞争器件。噪声差约为1 mV rms。

图9.1 V时的输出噪声频谱响应，60 A负载以1 MHz开关频率运行。

结论

LTC7051 DrMOS 演示平台可用于在竞争产品之间提供公正的比较。LTC7051 在高开关频率下运作，通过将 SilentMOS™ 架构和自举电容器集成到单个耐热性能增强型封装中，显著提高了功率转换效率和热性能。此外，LTC7051 还可以降低振铃和尖峰能量，这不仅显示在开关节点上，而且还传播到输出。在实际应用中，输出负载需要严格的容差，其中一部分是标称直流。然而，高尖峰能量和纹波贡献的噪声（也显示在输出端）消耗了总预算。耗电数据中心将节省大量能源和成本，更不用说更少的热管理和EMI的额外好处，这些好处将显着降低或最终被消除，同时仍然正确观察滤波器设计和组件放置。综上所述，LTC7051 应该是您的首选功率级，也是满足 VRM 设计和应用需求的必备 DrMOS 器件。

审核编辑：郭婷