VRM多相BUCK變換器功率級技術演進及AOZ5473 DrMOS特點

步BUCK降壓變換器的基本結構包括PWM控制器、主開關管(上管,功率MOSFET)和續流管(下管,功率MOSFET)、以及輸出電感和濾波電容。通常,PWM控制器內部帶有直接驅動功率MOSFET的輸出圖騰柱,從而簡化系統設計,如圖1所示。

輸出負載電流較小時,將2個功率MOSFET集成到IC內部,進一步簡化系統設計,降低系統體積,減小佔用PCB面積。


圖1.  同步Buck降壓轉換器

如果輸出電流大,為了降低導通損耗,使用更低導通電阻RDS(on)的功率MOSFET,其輸入電容Ciss隨著導通電阻降低而增大,需要驅動能力更強的驅動器,保證功率MOSFET快速開關,減少開關損耗。

PWM控制器內部的驅動圖騰柱,由於晶元空間尺寸限制和成本考慮,驅動能力有一定限制。如果其驅動能力無法滿足功率MOSFET驅動要求,就需要在外部增加具有更強驅動能力的驅動IC,滿足系統要求,如圖2所示。


圖2.  外加驅動IC

筆記型電腦和伺服器的CPU以及顯卡GPU的供電系統,輸出電流非常大,要求具有快速動態回應特性,通常採用多相同步BUCK降壓變換器,這種供電系統稱為VRM。

而VRM系統功率級發展趨勢,主要在於:驅動IC是和PWM控制器集成,還是和功率MOSFET集成?

早期VRM系統採用方案是將驅動IC和PWM控制器集成,提高控制器內部圖騰柱的驅動能力,解決上述驅動問題。

近年來,VRM使用更高工作頻率,進一步提高功率密度,降低體積。 PWM控制器或外部驅動IC,和功率MOSFET在PCB上都會有一定距離,而且分立功率MOSFET採用單獨封裝,導致功率迴路和驅動迴路的寄生電感和電容比較大,影響系統效率及正常工作。

如果將2個功率MOSFET和驅動IC集成在一個晶元中,採用晶元封裝工藝,在內部優化功率迴路和驅動迴路,就可以最大程度減少寄生電感和電容影響;另外,系統整體尺寸進一步降低,功率密度大幅度提高,滿足高端主機板更嚴苛超頻工作,提升整體效率,這種集成方案的器件稱為DrMOS。同時,DrMOS方案將功率迴路和控制迴路完全分開互不干擾,設計簡潔靈活,系統更為緊湊可靠,非常有利於數位電源的設計。


圖三3.  功率MOSFET和驅動IC集成


Intel 基於應用規定了DrMOS器件的引腳分配,方便不同廠家配合開發相應VRM技術方案,如圖3是DrMOS的一種管腳分配方案。 其中,輸入端,開關節點VSW和功率地,使用更多管腳或更大裸露銅箔,保證更低引線連接電阻和熱阻,增強晶元散熱能力。


圖4.  DrMOS管腳分配

圖5.  AOZ5473內部方塊圖

DrMOS器件內部集成工藝有2種方案:單晶元方案和分立方案。單晶片方案就是2個功率MOSFET和驅動IC集成在一個晶元上,功率MOSFET通常採用平面工藝,功率MOSFET導通電阻RDS(on)和寄生電容很難降低到更小值,因此,工作頻率和最大輸出電流能力有一定限制。

分立方案是2個功率MOSFET採用分立器件和驅動IC內部封裝在一起,功率MOSFET採用最新垂直SGT技術,導通電阻RDS(on)和寄生電容可以做到非常低值,系統可以工作在更高頻率,具有更大輸出電流能力; 同時,功率MOSFET和驅動IC採用不同工藝,驅動IC工藝複雜,功率MOSFETIC工藝簡單,優化系統性能和成本,圖6為DrMOS分立方案內部結構,2個功率MOSFET和驅動IC採用水準放置。


圖6.  DrMOS分立方案

2個功率MOSFET採用層疊上下結構,可以進一步提高晶元功率密度; 晶元封裝採用底部和頂部雙面裸露銅箔散熱,可以進一步降低熱阻,提高晶元散熱能力。

DrMOS內部增加電流和工作溫度檢測功能,電流和工作溫度信號輸出給PWM控制器或CPU/DSP(數位控制器),不但可以進行系統控制和反饋調節整,還可以保護功率器件安全工作,提高系統可靠性。

DrMOS內部可以精確控制上下管死區時間,降低下管寄生二極管導通產生損耗,進一步提高系統效率。

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