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作者：ADI高級應用開(kāi)發(fā)工程師Christian Cruz，ADI電源應用工程師Joseph Rommel Viernes，ADI高級系統工程師Kareem Atout，ADI新技術(shù)和市場(chǎng)拓展團隊團隊主管Gary Sapia，ADI高級固件工程師Marvin Neil Cabuenas 現階段，多核架構使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速，令這些器件所需功率急劇增加，直接導致向微處理器供電的穩壓器模塊(VRM)的升級需求：一是穩壓器的功率密度（單位體積的功率）升級，為了在有限空間中滿(mǎn)足系統的高功率要求，必須大幅提高功率密度；另一是功率轉換效率提升，高效率可降低功率損耗并改善熱管理。 目前電源行業(yè)一種公認的解決方案，是將先進(jìn)的開(kāi)關(guān)MOSFET（穩壓器的主要組成部分）及其相應的驅動(dòng)器集成到單個(gè)芯片中并采用高級封裝，從而實(shí)現緊湊高效的功率轉換。這種DrMOS功率級優(yōu)化了高速功率轉換。 隨著(zhù)對這種功率級（被稱(chēng)為智能功率級）的需求穩步增長(cháng)，以及功率開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，ADI公司推出了DrMOS版本的智能功率模塊。LTC705x DrMOS系列利用ADI已獲專(zhuān)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(shí)降低了功率損耗和開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓過(guò)沖，提高了性能。LTC705x DrMOS器件還提供過(guò)溫保護(OTP)、輸入過(guò)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(dòng)器與高品質(zhì)因數(FOM)頂部和底部功率MOSFET以及全面的監控保護電路集成到一個(gè)耐電耐熱的封裝中。與合適的PWM控制器一起，這款智能功率級可提供市場(chǎng)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(tài)響應技術(shù)。LTC7051的典型應用如圖1所示。它充當降壓轉換器的主要開(kāi)關(guān)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。 
圖1.雙相POL轉換器 為了演示LTC7051的主要特性，ADI公司創(chuàng )建了一個(gè)評估板，用以展示LTC7051與競爭產(chǎn)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(chǎn)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(wú)關(guān)。 DrMOS分析評估硬件 該分析演示硬件具有如下重要特性： ► 一個(gè)PWM控制器，它能在寬范圍的輸入和輸出電壓及開(kāi)關(guān)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(huán)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(huán)境溫度。 ► 電路板設計用于輕松捕獲和測量熱量。
圖2.分析演示板框圖 DrMOS分析演示板如圖3所示。該板經(jīng)過(guò)精心設計，具備前面提到的關(guān)鍵特性。元件對稱(chēng)且系統地放置在每個(gè)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(xiàn)和層堆疊也是對稱(chēng)進(jìn)行的。
圖3.DrMOS評估板，頂部和底部。PCB尺寸：203mm×152mm×1.67mm (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(chuàng )建了一個(gè)具有圖形用戶(hù)界面(GUI)的配套評估軟件，如圖4所示，以支持用戶(hù)更加輕松地開(kāi)展測試和收集數據。用戶(hù)只需要指定輸入和輸出參數，軟件將負責自動(dòng)化測試。軟件自動(dòng)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(xiàn)。軟件還通過(guò)PMBus/I2C協(xié)議收集來(lái)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。
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(tài)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(jìn)行了測試： ► 輸入電壓：12V ► 輸出電壓：1V ► 輸出負載：0A至60A ► 開(kāi)關(guān)頻率：500kHz和1MHz 性能數據 效率與功率損耗 圖5中的測試結果表明，在500kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，與競爭器件相比，LTC7051的效率更高（高出0.70%）。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率從500kHz進(jìn)一步提高到1MHz，LTC7051的效率也變得更好（提高0.95%）。
圖5.1V時(shí)的效率和功率損耗，負載為0A至60A，開(kāi)關(guān)頻率分別為500kHz和1MHz 效率性能 值得注意的是，在高輸出負載電流和較高開(kāi)關(guān)頻率下，LTC7051的效率性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品。這是ADI已獲專(zhuān)利的Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢，該技術(shù)改進(jìn)了開(kāi)關(guān)邊沿速率并縮短了死區時(shí)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(kāi)關(guān)頻率工作，而不會(huì )顯著(zhù)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(yōu)勢也有利于其實(shí)現更好的熱性能。在LTC7051和競爭產(chǎn)品之間觀(guān)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。
圖6.1V輸出時(shí)的典型性能，負載為60A，開(kāi)關(guān)頻率分別為500kHz和1.0MHz 隨著(zhù)環(huán)境溫度從25°C增加到80°C，LTC7051與競爭產(chǎn)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(kāi)關(guān)節點(diǎn)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60A時(shí)，在競爭器件上測得的VDS處于峰值，同時(shí)可以看到長(cháng)時(shí)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(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的過(guò)沖更低，意味著(zhù)EMI以及輻射和傳導噪聲更低，并且由于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)過(guò)壓應力降低，可靠性因而更高。
圖7.1V時(shí)的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形，分別在0A和60A負載下評估 器件輸出紋波性能 另一個(gè)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(shù)導致VDS尖峰更低且開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的振蕩更小。如果沒(méi)有產(chǎn)生開(kāi)關(guān)節點(diǎn)尖峰，則輸出不會(huì )有傳導噪聲。
圖8.1V時(shí)的輸出紋波波形，分別在0A和60A負載下評估 同樣，LTC7051和競爭器件也進(jìn)行了輸出噪聲擴頻測量，如圖9所示。LTC7051優(yōu)于其他DrMOS器件，并顯示出在開(kāi)關(guān)頻率下產(chǎn)生的噪聲低于競爭器件的噪聲。噪聲差約為1 mV rms。
圖9.輸出噪聲頻譜響應：電壓為1V，負載為60A，開(kāi)關(guān)頻率為1MHz 結論 LTC7051 DrMOS演示平臺可用來(lái)公正地比較競爭產(chǎn)品。LTC7051將SilentMOS架構和自舉電容集成到單個(gè)耐熱增強型封裝中，在高開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)可顯著(zhù)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(kāi)關(guān)節點(diǎn)上，而且會(huì )傳播到輸出端。在實(shí)際應用中，輸出負載需要嚴格的容差，其中之一是標稱(chēng)直流。然而，高尖峰能量和紋波造成的噪聲（它也會(huì )出現在輸出端）會(huì )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(shuō)更少熱管理和EMI（這會(huì )顯著(zhù)降低，甚至最終得以消除）帶來(lái)的額外好處，同時(shí)濾波器設計和元件放置規定仍會(huì )得到正確遵守。綜上所述，LTC7051顯然是目前企業(yè)首選的功率級和DrMOS器件，可為VRM設計和應用需求提供有力支撐。 關(guān)于作者 Gary Sapia大約23年前開(kāi)始為凌力爾特（現為ADI公司的一部分）工作。在此之前，他是Ashtech（后來(lái)為Magellan/Orbital Sciences）的模擬設計工程師。在GPS應用早期，Gary設計了GPS RF模擬前端解決方案。他還從事電源模擬電路、LNA、完整模擬前端、運算放大器和比較器解決方案、其他數據轉換器解決方案和最終產(chǎn)品測試系統的設計和故障排除工作。他的工作還包括編寫(xiě)運行這些測試系統的軟件。在加入凌力爾特之后，Gary作為FAE被分配到灣區公司，并有幸與多個(gè)工程師合作進(jìn)行幾種不同的模擬系統設計。40年來(lái)，他與不同的人員協(xié)作從事硬件工作，積累了豐富的經(jīng)驗，Gary現在是ADI新技術(shù)和市場(chǎng)拓展團隊的團隊領(lǐng)導，期待著(zhù)幫助ADI繼續實(shí)現可盈利的未來(lái)增長(cháng)。 Kareem Atout早在決定投身科技行業(yè)之前，他就開(kāi)始搗鼓電子產(chǎn)品，自己組裝音響設備，而且經(jīng)常讓父母擔心Kareem會(huì )引起下一次停電！Kareem熱衷于探索創(chuàng )新電子技術(shù)，在電氣工程領(lǐng)域成功從業(yè)已25年。作為通信基礎設施的高級系統工程師，他在模擬和數字設計領(lǐng)域都積累了不少經(jīng)驗。他將積極樂(lè )觀(guān)的專(zhuān)業(yè)精神和富有靈感的設計應用于有線(xiàn)通信和電源系統，不斷打破障礙，促進(jìn)了半導體行業(yè)的發(fā)展。 Christian Cruz是ADI菲律賓公司的高級應用開(kāi)發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領(lǐng)域擁有超過(guò)12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開(kāi)發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。 Joseph Rommel Viernes是ADI菲律賓公司的一名電源應用工程師。他于2018年加入ADI公司。他先后在Emerson Network Power、Phihong Technology、Power Integrations等公司以及現在的ADI公司工作，擁有超過(guò)17年的電源設計經(jīng)驗。他的工作側重于工業(yè)和通信電源系統應用。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。 Marvin Neil Solis Cabueñas畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。在2021年加入ADI之前，Marvin曾在A(yíng)zeus Systems菲律賓公司擔任系統工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔任網(wǎng)絡(luò )工程師（2014年至2017年），并在2017年至2020年擔任諾基亞技術(shù)中心菲律賓公司的研發(fā)工程師。他在不同領(lǐng)域擁有超過(guò)9年的工作經(jīng)驗，如嵌入式系統編程、數字信號處理、仿真建模等。目前擔任高級固件工程師，負責ADI電源事業(yè)部的不同項目。目前正在攻讀菲律賓大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。 |
