这个技术,改善你的电源系统设计!

出处:ADI 发布于:2022-07-27 16:18:14

    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,因此这些器件需要的功率急剧增加。微处理器所需的这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,电源行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)及其相应的驱动器集成到单个芯片中并采用封装,从而实现紧凑高效的功率转换。这种DrMOS功率级优化了高速功率转换。
    随着对这种功率级(被称为智能功率级)的需求稳步增长,以及功率开关技术不断进步,ADI公司推出了DrMOS版本的智能功率模块。LTC705x DrMOS系列利用ADI已获的Silent Switcher2架构,并集成了自举电路,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,提高了性能。LTC705x DrMOS器件还提供过温保护(OTP)、输入过压保护(VIN OVP)和欠压闭锁(UVLO)保护等安全特性。
    LTC7051 SilentMOS智能功率级
    LTC7051属于LTC705x DrMOS系列,是一款140A单片智能功率模块,它成功地将高速驱动器与高品质因数(FOM)顶部和底部功率MOSFET以及全面的监控保护电路集成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市场一流的高效率、低噪声、高密度的功率转换。这种组合使大电流稳压器模块具备的效率和瞬态响应技术。LTC7051的典型应用如图1所示。它充当降压转换器的主要开关电路,与之配合的是 LTC3861 ——具有均流特性的双通道多相降压电压模式DC-DC控制器。

    为了演示LTC7051的主要特性,ADI公司创建了一个评估板,用以展示LTC7051与竞争产品的性能对比。这种演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。比较的目的是消除对结果有效性的任何怀疑。该演示平台用于突出一流的DrMOS性能指标,而与制造商无关。

    图1.双相POL转换器
    DrMOS分析评估硬件
    该分析演示硬件具有如下重要特性:
    · 一个PWM控制器,它能在宽范围的输入和输出电压及开关频率下运行。在此应用中,控制器是 LTC7883,它是一款四路输出多相降压DC-DC电压模式控制器,如图2所示。
    · LTC7051和竞争器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和竞争器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捕获和测量热量。

    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,具备前面提到的关键特性。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。布局布线和层堆叠也是对称进行的。

    图3.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

    除了演示板本身之外,测试设置和测试方法对于数据和结果的公正同样很重要。为此,团队还创建了一个具有图形用户界面(GUI)的配套评估软件,如图4所示,以支持用户更加轻松地开展测试和收集数据。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、电子负载和多路复用数据采集器件(DAQ),以直接从演示板测量温度、电流和电压数据,然后在GUI上呈现测量结果曲线。软件还通过PMBus/I2C协议收集来自板载器件的重要遥测数据。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,显示了配置和热分析选项卡
    数据与结果
    以下测试结果涵盖了稳态性能测量、功能性能波形、热测量和输出噪声测量。使用如下配置对演示板进行了测试:
    · 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
    · 效率与功率损耗

    图5中的测试结果表明,在500 kHz的开关频率下,与竞争器件相比,LTC7051的效率更高(高出0.70%)。随着开关频率从500 kHz进一步提高到1 MHz,LTC7051的效率也变得更好(提高0.95%)。

    图5.1 V时的效率和功率损耗,负载为0 A至60 A,开关频率分别为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开关频率下,LTC7051的效率性能优于竞争产品。这是ADI已获的Silent Switcher技术的优势,该技术改进了开关边沿速率并缩短了死区时间,从而降低了总功率损耗。这使得更小尺寸解决方案能以更高开关频率工作,而不会显著影响整体效率。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3°C至10°C的温差,前者的温度更低,如图6所示。LTC7051的这种更好的性能要归功于其精心设计的耐热增强型封装。


    图6.1 V输出时的典型性能,负载为60 A,开关频率分别为500 kHz和1.0 MHz
    随着环境温度从25°C增加到80°C,LTC7051与竞争产品之间的温差扩大到大约15°C,前者的温度同样更低。
    ·器件开关节点性能

    从图7可以看出,LTC7051的漏源电压(VDS)峰值低于竞争器件。此外,当负载提高到60 A时,在竞争器件上测得的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,这同样归功于LTC705x DrMOS系列的Silent Switcher 2架构和内部集成的自举电容。因此,开关节点上的过冲更低,意味着EMI以及辐射和传导噪声更低,并且由于开关节点过压应力降低,可靠性因而更高。

    图7.1 V时的开关节点波形,分别在0 A和60 A负载下评估
    ·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。可以看到,LTC7051的噪声比竞争器件要小。噪声降低的原因是Silent Switcher技术导致VDS尖峰更低且开关节点上的振荡更小。如果没有产生开关节点尖峰,则输出不会有传导噪声。

    图8.1 V时的输出纹波波形,分别在0 A和60 A负载下评估

    同样,LTC7051和竞争器件也进行了输出噪声扩频测量,如图9所示。LTC7051优于其他DrMOS器件,并显示出在开关频率下产生的噪声低于竞争器件的噪声。噪声差约为1 mV rms。

    图9.输出噪声频谱响应:电压为1 V,负载为60 A,开关频率为1 MHz
    结论
    LTC7051 DrMOS演示平台可用来公正地比较竞争产品。LTC7051将SilentMOS?架构和自举电容集成到单个耐热增强型封装中,在高开关频率下工作时可显著提高功率转换效率和热性能。此外,LTC7051可以降低响铃振荡和尖峰能量,后者不仅表现在开关节点上,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,高尖峰能量和纹波造成的噪声(它也会出现在输出端)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(这会显著降低,甚至终得以消除)带来的额外好处,同时滤波器设计和元件放置规定仍会得到正确遵守。综上所述,LTC7051应当是您的功率级和DrMOS器件,它能满足您的VRM设计和应用需求。

关键词:电源

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