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VRM多相BUCK变换器功率级技术演进及DrMOS特点

2023-08-14 14:32
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同步BUCK降压变换器的基本结构包括PWM控制器、主开关管(上管,功率MOSFET)和续流管(下管,功率MOSFET)、以及输出电感和滤波电容。通常,PWM控制器内部带有直接驱动功率MOSFET的输出图腾柱,从而简化系统设计,如图1所示。

 

输出负载电流较小时,将2个功率MOSFET集成到IC内部,进一步简化系统设计,降低系统体积,减小占用PCB面积。

 

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图1  同步BUCK降压变换器

 

如果输出电流大,为了降低导通损耗,使用更低导通电阻RDS(on)的功率MOSFE,其输入电容Ciss随着导通电阻降低而增大,需要驱动能力更强的驱动器,保证功率MOSFET快速开关,减少开关损耗。

 

PWM控制器内部的驱动图腾柱,由于芯片空间尺寸限制和成本考虑,驱动能力有一定限制。如果其驱动能力无法满足功率MOSFET驱动要求,就需要在外部增加具有更强驱动能力的驱动IC,满足系统要求,如图2所示。

 

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图2  外加驱动IC

 

笔记本电脑和服务器的CPU以及显卡GPU的供电系统,输出电流非常大,要求具有快速动态响应特性,通常采用多相同步BUCK降压变换器,这种供电系统称为VRM。


VRM系统功率级发展趋势,主要在于:驱动IC是和PWM控制器集成,还是和功率MOSFET集成?


早期VRM系统采用方案是将驱动IC和PWM控制器集成,提高控制器内部图腾柱的驱动能力,解决上述驱动问题。

 

近年来,VRM使用更高工作频率,进一步提高功率密度,降低体积。PWM控制器或外部驱动IC,和功率MOSFET在PCB上都会有一定距离,而且分立功率MOSFET采用单独封装,导致功率回路和驱动回路的寄生电感和电容比较大,影响系统效率及正常工作。


如果将2个功率MOSFET和驱动IC集成在一个芯片中,采用芯片封装工艺,在内部优化功率回路和驱动回路,就可以最大程度减少寄生电感和电容影响;另外,系统整体尺寸进一步降低,功率密度大幅度提高,满足高端主板更严苛超频工作,提升整体效率,这种集成方案的器件称为DrMOS。


同时,DrMOS方案将功率回路和控制回路完全分开互不干扰,设计简洁灵活,系统更为紧凑可靠,非常有利于数字电源的设计。

 

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图3  功率MOSFET和驱动IC集成

 

Intel 基于应用规定了DrMOS器件的引脚分配,方便不同厂家配合开发相应VRM技术方案,如图3是DrMOS的一种管脚分配方案。其中,输入端,开关节点VSW和功率地,使用更多管脚或更大裸露铜箔,保证更低引线连接电阻和热阻,增强芯片散热能力。


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图4  DrMOS管脚分配

 

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图5  AOZ5473内部框图

  

DrMOS器件内部集成工艺有2种方案:单芯片方案和分立方案。单芯片方案就是2个功率MOSFET和驱动IC集成在一个芯片上,功率MOSFET通常采用平面工艺,功率MOSFET导通电阻RDS(on)和寄生电容很难降低到更小值,因此,工作频率和最大输出电流能力有一定限制。


分立方案是2个功率MOSFET采用分立器件和驱动IC内部封装在一起,功率MOSFET采用最新垂直SGT技术,导通电阻RDS(on)和寄生电容可以做到非常低值,系统可以工作在更高频率,具有更大输出电流能力;同时,功率MOSFET和驱动IC采用不同工艺,驱动IC工艺复杂,功率MOSFETIC工艺简单,优化系统性能和成本,图6为DrMOS分立方案内部结构,2个功率MOSFET和驱动IC采用水平放置。

 

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图6  DrMOS分立方案

 

2个功率MOSFET采用层叠上下结构,可以进一步提高芯片功率密度;芯片封装采用底部和顶部双面裸露铜箔散热,可以进一步降低热阻,提高芯片散热能力。

 

DrMOS内部增加电流和工作温度检测功能,电流和工作温度信号输出给PWM控制器或CPU/DSP(数字控制器),不但可以进行系统控制和反馈调节整,还可以保护功率器件安全工作,提高系统可靠性。


DrMOS内部可以精确控制上下管死区时间,降低下管寄生二极管导通产生损耗,进一步提高系统效率。

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