Hvordan monolitisk DrMOS kan gi bedre kraftsystemer

Monolitiske DrMOS-komponenter gjør at kraftsystemer blir vesentlig bedre når det gjelder krafttetthet, effektivitet og termisk ytelse, noe som igjen kan forbedre den generelle ytelsen til sluttapplikasjonen.

Energiøkning

Gjennom stadig nyere teknologi har mikroprosessorer blitt kraftigere og raskere etter en horisontal skala takket være deres multikjerne-arkitektur. Dermed har den tilsvarende energien som kreves av disse enhetene økt drastisk. Denne energien for mikroprosessorer er levert av en spenningsregulatormodul (VRM).

Det er to hovedparametere som driver utviklingen av spenningsregulatorer i dette feltet. Først og fremst krafttettheten (strømmen over enhetsvolum) til spenningsregulatoren, som må økes kraftig for å oppfylle kravet til høy effekt i et system med begrenset plass. Den andre parameteren er effektiviteten i kraftomformingen for redusert krafttap og bedre termisk styring.

Følgekrav

Når utfordringene øker, vil kraftindustrien finne måter å møte disse følgekravene på. En løsning benytter en avansert svitsje-MOSFET som en viktig byggestein i spenningsregulatorer. Denne kombineres med en korresponderende driver i en enkel, monolittisk krets. Bruk av avansert pakking i tillegg, muliggjør en svært kompakt og effektiv effektomforming. Disse DrMOS-krafttrinnene har optimalisert høyhastighets strømomforming.

Egen versjon

Ettersom etterspørselen etter disse krafttrinnene, kjent som smarte krafttrinn, økte jevnlig og svitsjeteknologiene for kraftelektronikk fortsatte å avansere, utviklet Analog Devices sin versjon av disse DrMOS Smart Power-modulene. LTC705X DrMOS-serien benytter seg av ADIs patenterte Silent Switcher 2-arkitektur, sammen med en integrert bootstrap-krets, som lar DrMOS-modulen svitsje med ultrahøy hastighet med redusert strømtap og forbedret ytelse for overshoot i svitsjenoden og dermed forbedret ytelse. LTC705X DrMOS tilbyr også sikkerhetsfunksjoner som overtemperaturbeskyttelse (OTP), overspenningsbeskyttelse ved inngangen (VIN OVP) og beskyttelse for underspenningslåsing (UVLO).

Smart krafttrinn

LTC7051, et medlem av LTC705X DrMOS -familien, er en 140 A monolittisk smart kraftmodul som kombinerer høyhastighetsdrivere med høy “figure of merit” (FOM) topp- og bunn kraft-MOSFET’er samt en omfattende overvåknings- og beskyttelseskrets i en elektrisk og termisk optimalisert pakke. Sammen med en passende PWM-kontroller gir dette smarte krafttrinnet hva vi mener er industriens høyeste effektivitet, laveste støy og høyeste kraftomformingstetthet. Denne kombinasjonen utstyrer spenningsregulatormodulen (VRM) med høy strømkapasitet, og med de nyeste teknikkene for effektivitet og transient-respons. En typisk anvendelse for LTC7051 er illustrert i figur 1. Den fungerer som hovedsvitsjekrets for en buck (step-down)-omformer sammen med LTC3861 dobbel, flerfaset step-down spenningsmodus DC-til-DC-kontroller med nøyaktig strømdeling.

Evalueringskort

For å demonstrere nøkkelfunksjonene i LTC7051 laget ADI et evalueringskort for å vise ytelsen til LTC7051 sammenlignet med et tilgjengelig produkt fra en konkurrent. En slik demonstrasjonsplattform gir en objektiv, nøyaktig måte å sammenligne essensielle parametere som effektivitet, strømtap, telemetri-nøyaktighet, termisk og elektrisk ytelse for LTC7051 DrMOS med et konkurrerende produkt. Målet med sammenligningen var å fjerne enhver tvil om gyldigheten av utfallet. Den nevnte demonstrasjonsplattformen ble brukt til å bekrefte «best-in-class» DrMOS-ytelsesmålinger uavhengig av produsent.

Analyse og evaluering

Analysemaskinvaren har følgende nøkkelfunksjoner:

En PWM-kontroller som kan fungere på et bredt spekter av inngangs- og utgangsspenninger og svitsjefrekvenser. I denne applikasjonen er kontrolleren LTC7883, En polyfase step-down DC-til-DC spenningsmodus-kontroller med fire utganger, vist i figur 2.

• Identisk design av krafttrinnet for både LTC7051 og konkurrentenes enheter.
• LTpowerPlay miljø til styring av kraftsystem for omfattende telemetri av systemytelse levert av LTC7883.
• Tåler utvidet omgivelsestemperatur i samsvar med det spesifiserte driftstemperaturområdet for både ADI og konkurrentenes enheter.
• Kortet er designet for enklere termisk fangst og måling.

DrMOS-analysedemokortet er vist i figur 3. Kortet ble nøye designet for å inkludere nøkkelfunksjonene som tidligere er nevnt. Komponenter plasseres symmetrisk og systematisk over hver strømskinne og har samme kretskortstørrelse og område for å begrense avvik mellom strømskinnene. Layout-ruting og lagoppstabling gjøres også symmetrisk.

Metodikk

Bortsett fra selve demonstrasjonsstyret, er testoppsett og testmetodikk like viktig for objektive data og resultater. For dette formålet opprettet teamet også en komplementær evalueringsprogramvare med et grafisk brukergrensesnitt (GUI) vist i figur 4, for en mer brukervennlig tilnærming til testing og datainnsamling. Brukeren trenger bare å spesifisere inngangs- og utgangsparametere, og programvaren vil ta seg av den automatiserte testingen. Programvaren kontrollerer automatisk det tilsvarende test- og måleutstyret, for eksempel DC -forsyning, elektronisk belastning og en multiplekset datainnsamlingsenhet (DAQ) for å måle temperatur, strøm og spenning direkte fra demokortet, og deretter plotte disse målingene i brukergrensesnittet. Viktige telemetri-data fra komponentene på kortet samles også av programvaren gjennom PMBUS/I2C-protokollen. All denne informasjonen er viktig for å sammenligne systemets effektivitet og strømtap.

Data og resultater

Følgende testresultater dekker målinger av stabil tilstand, funksjonelle ytelsesbølgeformer, termisk måling og støymåling ved utgangen. Demokortet ble testet med følgende konfigurasjoner:

• Inngangsspenning: 12 V
• Utgangsspenning: 1 V
• Utgangsbelastning: 0 A til 60 A
• Svitsjefrekvens: 500 kHz og 1 MHz
• Effektivitet og effekttap

Testresultatet i figur 5 viser at LTC7051 ved en svitsjefrekvens på 500 kHz har høyere effektivitet (0,70% bedre) sammenlignet med konkurrenten. Ved en økning i svitsjefrekvens til 1 MHz vil virkningsgraden for LTC7051 øke ytterligere (0,95% mer).

Det man skal merke seg her er den høyere virkningsgraden til LTC7051 over konkurrenten ved høy utgangsbelastningsstrøm og ved høyere svitsjefrekvens. Dette er et resultat av ADIs patenterte Silent Switcher-teknologi der forbedringer i både responshastighet og kortere dødtid reduserer totalt strømtap. Dette muliggjør høyere svitsjefrekvens for en fysisk mindre løsning uten betydelig innvirkning på den totale effektiviteten. Lavere totalt strømtap gir lavere driftstemperatur for høyere strømmer, og øker dermed effekttettheten betydelig.

Termisk ytelse

Fordeler i effektivitet og krafttap forårsaket av LTC7051 er også årsak til bedre termisk ytelse. En temperaturforskjell på mellom 3° C og 10° C ble observert mellom LTC7051 og konkurrenten. LTC705| var kjøligere som vist i figur 6, noe som også skyldes en godt designet, termisk forbedret pakke. Med økt omgivelsestemperatur fra 25° C til 80° C er temperaturforskjellen mellom LTC7051 og konkurrenten økt til omtrent 15° C, der førstnevnte igjen er kjøligere.

Svitsjenode-ytelse

Det kan observeres fra figur 7 at LTC7051’s maks drain-to-source-spenning (VDS) er mindre enn for konkurrentens komponent. Ved å øke lasten til 60 A, er VDS målt på konkurrentens komponent på topp samtidig som langvarig svingning kan sees. LTC7051 har derimot en lavere topp og redusert svingning, igjen på grunn av Silent Switcher 2-arkitekturen og integrert “bootstrap”-kondensator inne i LTC705X DRMOS-familien. Dette vil føre til lavere overskridelse (overshoot) på svitsjenoden, noe som betyr redusert EMI så vel som utstrålt og ledet støy, og høyere pålitelighet når overspenningsstress for svitsjenoden reduseres.

Utgangs-rippel

En annen parameter er rippwlwn på utgangsspenningen vist i figur 8. Det kan sees at støyen som vises fra LTC7051 er mindre sammenlignet med komponenten fra konkurrenten. Redusert støy skyldes den lavere VDS-toppen og minimal oscillering på svitsjenoden, som er et resultat av Silent Switcher-teknologien. Hvis svitsjenode-spikere ikke genereres, er det ingen ledet støy til utgangen.

På samme måte ble LTC7051 og konkurrentkomponenten også utsatt for spredt spektrum utgangsstøy måinger som vist i figur 9. LTC7051 utkonkurrerte den andre DrMOS-enheten, og viste at støyen generert ved svitsjefrekvensen er lavere sammenlignet med konkurrentens komponent. Støyforskjellen var omtrent 1 mV rms.

Objektiv sammenligning

LTC7051 DrMOS demonstrasjonsplattform kan brukes til å gi en objektiv sammenligning mellom konkurrerende produkttilbud. LTC7051 opererer med høy svitsjefrekvens og betydelig øker virkningsgrad for kraftomformingen samt termisk ytelse ved å integrere SilentMOS™-arkitektur og bootstrap-kondensator i en enkelt, termisk forbedret pakke. LTC7051 kan også redusere ringing og toppfrekvensenergi, som ikke bare vises på bryter noden, men også forplanter seg til utgangen. I faktiske applikasjoner krever utgangslasten stram toleranse, og en del av dette er nominell DC. Imidlertid vil støyen som bidrar til høy toppfrekvensenergi og rippel, som også vises på utgangen, bruke opp det totale budsjettet. Strømkrevende datasentre vil spare betydelig energi og kostnader, for ikke å nevne de ekstra fordelene med mindre termisk styring og EMI som vil reduseres betraktelig eller til slutt bli eliminert. Samtidig må man være nøye med filterdesign og komponentplassering. Når alt dette er sagt, bør LTC7051 være ditt startpunkt og DrMOS-komponenten du må ha for dine VRM-design- og applikasjonsbehov.