VRM多相BUCK变换器功率级技术演进及DrMOS特点

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 M OSFET ）和 续流管 （ 下管 ， 功率 M OSFET ）、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。

 

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R DS(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。

 

 

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。 P WM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， D rMOS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。

 

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V SW 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。

图4  DrMOS管脚分配

 

 

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R DS(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R DS(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。

 

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。