单片式驱动器和MOSFET威廉希尔官方网站 如何改进电源系统设计

作者：Christan Cruz, Joseph Viernes, Kareem Atout, Gary Sapia, and Marvin N

本文介绍最新的驱动器加MOSFET（DrMOS）威廉希尔官方网站 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

通过威廉希尔官方网站 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，电源开关威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。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公司专利静音开关威廉希尔官方网站 的优势所在，该威廉希尔官方网站 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。LTC3 与竞争对手产品之间的温差约为 10°C 至 7051°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 LTC2x DrMOS 系列内部的静音开关器 705 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，这是静音切换器威廉希尔官方网站 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。

s树森环保局：郭婷eil Solis Cabueñas