深度剖析FDMF6823A：超小尺寸、高性能、高频DrMOS模块

在电子设计领域，电源管理模块的性能和尺寸一直是工程师们关注的焦点。FDMF6823A作为一款超小尺寸、高性能、高频的DrMOS模块，为电源设计带来了新的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款模块的特点、性能以及应用。

文件下载：FDMF6823A.pdf

1. 背景：Fairchild与ON Semiconductor的整合

Fairchild Semiconductor已成为ON Semiconductor的一部分。在整合过程中，部分Fairchild可订购的零件编号需要更改，以满足ON Semiconductor的系统要求。由于ON Semiconductor的产品管理系统无法处理带有下划线（_）的零件命名，Fairchild零件编号中的下划线将改为破折号（-）。所以大家在使用时，要注意在ON Semiconductor网站上核实更新后的设备编号。

2. FDMF6823A的优势与特点

2.1 优势

• 超紧凑封装：采用6x6 mm PQFN封装，与传统分立解决方案相比，节省了72%的空间。
• 系统效率优化：整体系统效率经过完全优化，能有效降低功耗。
• 开关波形干净：具有最小的振铃，可实现高电流处理能力。

2.2 特点

• 高效率：峰值效率超过93%。
• 高电流处理能力：能够处理高达60 A的电流。
• 高性能封装：采用PQFN铜夹封装。
• 3 - 态5 V PWM输入驱动：兼容多种PWM控制器。
• Skip - Mode（SMOD#）功能：可提高轻载效率。
• 热警告标志：能在过热时发出警告。
• 驱动输出禁用功能：通过DISB#引脚可禁用功率MOSFET开关。
• 内部上拉和下拉电阻：分别用于SMOD#和DISB#输入。
• 先进MOSFET技术：采用Fairchild PowerTrench®技术MOSFET，可实现干净的电压波形并减少振铃；低侧MOSFET采用Fairchild SyncFET™（集成肖特基二极管）技术。
• 集成自举肖特基二极管：简化电路设计。
• 自适应栅极驱动时序：可防止直通（交叉导通）电流。
• 欠压锁定（UVLO）：保障系统在电压异常时的安全。
• 高开关频率：优化后可支持高达1 MHz的开关频率。
• 低轮廓SMD封装：适合空间受限的应用。
• 环保合规：符合Fairchild绿色封装和RoHS标准。
• 符合标准：基于Intel® 4.0 DrMOS标准。

3. 工作原理与功能描述

3.1 基本工作原理

FDMF6823A是一款针对同步降压转换器拓扑优化的驱动器加FET模块。只需一个PWM输入信号，就能正确驱动高侧和低侧MOSFET，每个部分的驱动速度最高可达1 MHz。

3.2 VCIN和Disable（DISB#）

VCIN引脚由欠压锁定（UVLO）电路监控。当VCIN上升到约3.1 V以上时，驱动器启用；当VCIN下降到约2.7 V以下时，驱动器禁用（GH、GL = 0）。此外，通过将DISB#引脚拉低（DISB# < VIL_DISB），也可禁用驱动器，无论PWM输入状态如何，都将GL和GH保持为低电平；将DISB#引脚电压拉高（DISB# > VIH_DISB），则可启用驱动器。

3.3 热警告标志（THWN#）

FDMF6823A提供热警告标志（THWN#），用于警告过热情况。当达到激活温度（150°C）时，热警告标志使用开漏输出将其拉至CGND；当温度降至复位温度（135°C）时，THWN#输出返回高阻抗状态。使用时，THWN#输出需要一个上拉电阻，可连接到VCIN，但THWN#不会禁用DrMOS模块。

3.4 三态PWM输入

FDMF6823A采用三态5 V PWM输入栅极驱动设计。三态栅极驱动具有逻辑高电平和低电平，以及一个三态关断窗口。当PWM输入信号进入并在三态窗口内保持一段定义的保持时间（tD_HOLD - OFF）时，GL和GH都被拉低，从而使栅极驱动关闭高侧和低侧MOSFET，以支持多相电压调节器中常见的相 shedding功能。

3.5 低侧和高侧驱动器

• 低侧驱动器（GL）：设计用于驱动接地参考的低RDS(ON) N沟道MOSFET。GL的偏置在内部连接在VDRV和CGND引脚之间。当驱动器启用时，驱动器输出与PWM输入相位相差180°；当驱动器禁用（DISB# = 0 V）时，GL保持低电平。
• 高侧驱动器（GH）：设计用于驱动浮动N沟道MOSFET。高侧驱动器的偏置电压由内部肖特基二极管和外部自举电容（CBOOT）组成的自举电源电路产生。在启动期间，VSWH保持在PGND，允许CBOOT通过内部二极管充电至VDRV。当PWM输入变为高电平时，GH开始对高侧MOSFET（Q1）的栅极充电。在这个过渡过程中，电荷从CBOOT中移除并传递到Q1的栅极。当Q1导通时，VSWH上升到VIN，迫使BOOT引脚达到VIN + VBOOT，为Q1提供足够的VGS增强。为了完成开关周期，通过将GH拉至VSWH来关闭Q1。当VSWH降至PGND时，CBOOT重新充电至VDRV。GH输出与PWM输入同相。当驱动器禁用或PWM信号在三态窗口内保持的时间超过三态保持时间tD_HOLD - OFF时，高侧栅极保持低电平。

3.6 自适应栅极驱动电路

驱动器IC的先进设计确保了最小的MOSFET死区时间，同时消除了潜在的直通（交叉导通）电流。它通过感应MOSFET的状态，自适应地调整栅极驱动，确保它们不会同时导通。在LOW - to - HIGH开关过渡（Q2关断到Q1导通）期间，自适应电路监控GL引脚的电压；在HIGH - to - LOW过渡（Q1关断到Q2导通）期间，监控GH - to - PHASE引脚对的电压。

3.7 跳过模式（SMOD#）

跳过模式功能允许在轻载条件下提高转换器效率。当SMOD#被拉低时，低侧MOSFET栅极信号被禁用（保持低电平），防止输出电容器在滤波电感电流试图反向流动时放电，即“二极管仿真”模式。当SMOD#引脚被拉高时，同步降压转换器工作在同步模式，允许低侧MOSFET导通。

4. 应用领域

• 高性能游戏主板：满足游戏主板对高电流、高效率电源的需求。
• 紧凑型刀片服务器：适用于V - Core和非V - Core DC - DC转换器。
• 台式计算机：为V - Core和非V - Core DC - DC转换器提供稳定电源。
• 工作站：保障工作站的电源稳定。
• 高电流DC - DC负载点转换器：提供高电流输出。
• 网络和电信微处理器电压调节器：满足网络和电信设备对电源的要求。
• 小尺寸电压调节器模块：适合空间有限的应用场景。

5. 电气特性与性能参数

5.1 绝对最大额定值

该模块对各个引脚的电压、电流、温度等参数都有明确的绝对最大额定值限制，如VCIN、VDRV等引脚的电压范围，输出电流、结温、存储温度等参数的限制。在设计时，必须确保不超过这些额定值，否则可能会损坏设备。

5.2 推荐工作条件

为了确保模块的最佳性能，推荐了控制电路电源电压（VCIN）、栅极驱动电路电源电压（VDRV）和输出级电源电压（VIN）等参数的工作范围。在实际应用中，应尽量在这些推荐条件下使用。

5.3 电气特性

文档详细列出了各种电气参数的典型值，如静态电流（IQ）、UVLO阈值（VUVLO）、PWM输入的各种参数（如上下拉阻抗、高低电平电压、阈值等）、驱动输出的阻抗、上升和下降时间、死区时间、传播延迟等。这些参数对于理解模块的性能和进行电路设计非常重要。

5.4 典型性能特性

通过一系列图表展示了模块在不同条件下的性能，如安全工作区、功率损耗与输出电流、开关频率、输入电压、驱动电源电压、输出电压、输出电感等参数的关系，以及驱动器电源电流与开关频率、输出电流的关系，UVLO阈值、PWM阈值、SMOD#阈值、DISB#阈值等与温度和驱动电源电压的关系，自举二极管正向电压与温度的关系等。这些图表有助于工程师在不同应用场景下评估模块的性能。

6. 应用信息与PCB布局指南

6.1 电源电容选择

对于电源输入（VCIN），建议使用本地陶瓷旁路电容来降低噪声并提供峰值电流。至少使用1 µF的X7R或X5R电容，并将其靠近VCIN引脚，通过过孔连接到GND平面。

6.2 自举电路

自举电路使用一个电荷存储电容（CBOOT），通常100 nF的X7R或X5R电容就足够了。在某些特定应用中，可能需要一个串联自举电阻来提高开关噪声免疫力，特别是在VIN高于15 V时，自举电阻可以有效控制高侧MOSFET的导通斜率和VSWH过冲。

6.3 VCIN滤波器

VDRV引脚为高侧和低侧功率MOSFET的栅极驱动提供电源，在大多数情况下，可直接连接到VCIN。为了提高噪声免疫力，可在VDRV和VCIN引脚之间插入一个RC滤波器，推荐值为10 Ω和1 µF。

6.4 功率损耗和效率测量与计算

文档提供了功率损耗的测试方法和计算公式，包括输入功率、开关功率、输出功率、模块功率损耗、电路板功率损耗以及模块和电路板的效率计算公式。

6.5 PCB布局指南

PCB布局对于模块的性能至关重要。建议输入陶瓷旁路电容靠近VIN和PGND引脚，以减少高电流功率环路电感和输入电流纹波；VSWH铜迹线应短而宽，既作为高频电流路径，又作为低侧MOSFET的散热片；输出电感应靠近FDMF6823A，以减少功率损耗；VCIN、VDRV和BOOT电容应尽量靠近相应的引脚对；PHASE引脚到VSWH引脚的走线应尽量短；布局应考虑插入自举电阻；VIN和PGND引脚应直接连接到VIN和电路板GND平面；GND焊盘和PGND引脚应通过多个过孔连接到GND铜平面；SMOD#和DISB#引脚不应有噪声滤波电容；在VIN和VOUT铜区域使用多个过孔来分布电流和传导热量，而VSWH铜上应尽量少用或不用过孔，以减少寄生电感和噪声。

7. 总结

FDMF6823A超小尺寸、高性能、高频DrMOS模块凭借其诸多优势和特点，在电源管理领域具有广泛的应用前景。工程师在使用时，需要充分了解其工作原理、电气特性和应用要求，合理进行电路设计和PCB布局，以确保模块的性能和可靠性。同时，要注意在ON Semiconductor整合过程中零件编号的变化，及时核实更新后的设备编号。大家在实际应用中遇到过哪些关于DrMOS模块的问题呢？欢迎在评论区交流讨论。