利用MOSFET提升系統(tǒng)輕負(fù)載和高頻率DCDC轉(zhuǎn)換效率

1、利用MOSFET提升系統(tǒng)輕負(fù)載和高頻率DCDC轉(zhuǎn)換效率中心論點(diǎn)：· 如何提高輕負(fù)載和高頻率DC-DC轉(zhuǎn)換效率 · 將肖特基二極管與MOSFET集成在一起的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn) · 體二極管和肖特基二極管之間電流分布的分析 為了幫助提高較輕負(fù)載和較高開關(guān)頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換效率，可以在MOSFET芯片上采用一個(gè)封裝的形式集成一個(gè)肖特基二極管，以減少由降壓式轉(zhuǎn)換器電路的低端開關(guān)引起的功率損耗。此外，將兩個(gè)元件集成在一個(gè)單片芯片中還有助于降低MOSFET的rDS（on） 額定值并節(jié)省電路板空間。負(fù)載點(diǎn)（POL）、DC-DC轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和固定電信市場的功率管理應(yīng)用

2、，推動(dòng)著能夠提高效率的高性能MOSFET的需求不斷增長。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種特別有益的方法是提高輕電流負(fù)載效率。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)服務(wù)器和筆記本電腦在大多數(shù)時(shí)間都不是在最大負(fù)載條件下運(yùn)行。這意味著CPU的需求通常很低，而耗用的電流要比系統(tǒng)能夠處理的最大IOUT 低得多。在服務(wù)器系統(tǒng)中，最大電流水平可能超過120 A，但是在正常運(yùn)行期間，耗用電流可下降到20 A至40 A的范圍。對(duì)于一臺(tái)或兩臺(tái)服務(wù)器來說，這種低效能運(yùn)行可能對(duì)用戶的用電賬單沒有什么影響，但是如果把一家大型公司或者是一個(gè)服務(wù)器機(jī)房內(nèi)的所有服務(wù)器都加在一起，影響就非常大了。隨著能源成本的提升，可以利用更有效的MOSFET來降低功

3、耗，這比以往任何時(shí)候都引起人們更大的關(guān)注。有助于提高效率的第二個(gè)機(jī)會(huì)是考慮頻率在500 kHz及以上的功率損耗。由于POL轉(zhuǎn)換器的尺寸已經(jīng)減小，而且隨著超便攜個(gè)人電腦（UMPC）更廣泛的采用，增加開關(guān)頻率將作為最大限度地減少電源轉(zhuǎn)換電路尺寸的一種策略。但是，如果像MOSFET這樣的DC-DC元件沒有進(jìn)行優(yōu)化，在較高的頻率下就可能出現(xiàn)效率水平的顯著下降。專門用來處理250 kHz典型母板頻率的MOSFET可能不太適用于這類POL應(yīng)用。因此，根據(jù)提高的頻率降低整個(gè)負(fù)載范圍的功耗已變得比以往任何時(shí)候都更加重要。改善設(shè)備性能將肖特基二極管與MOSFET集成在一起來改善設(shè)備性能有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。與MOSF

4、ET增加體二極管的方法相比，隨著肖特基二極管的增加，第一個(gè)性能改善來自于總反向恢復(fù)電荷（QRR）的減少。當(dāng)一個(gè)降壓式轉(zhuǎn)換器電路中的高端MOSFET導(dǎo)通時(shí)，反向恢復(fù)電流從輸入源（VIN）流經(jīng)高端MOSFET，然后流經(jīng)低端MOSFET體二極管和集成的肖特基二極管。來自這個(gè)事件的低端MOSFET的功率損耗是由VIN fSW 決定的。因此，QRR 的減少與功耗的降低有關(guān)，該功耗與開關(guān)頻率的增加成正比。´ QRR ´第二，肖特基二極管兩端的正向壓降（VF）要比MOSFET內(nèi)的體二極管兩端的壓降低很多。集成了肖特基二極管的該器件的典型正向電壓是0.44 V，而標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的正向電壓

5、為0.72 V，這相當(dāng)于下降了38 %。在降壓式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET死區(qū)時(shí)間內(nèi)（該時(shí)間間隔出現(xiàn)在MOSFET斷開而主要部分電感電流通過肖特基而不是MOSFET的體二極管導(dǎo)通時(shí)）斷開時(shí)，這將導(dǎo)致實(shí)際上更低的功耗（P = VI）。體二極管和肖特基二極管之間電流分布的分析在低電流操作期間，肖特基二極管能夠處理系統(tǒng)中的全部電感電流，從而防止MOSFET的體二極管導(dǎo)通。因此，由于使用體二極管而不會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)損失，而肖特基的反向恢復(fù)電荷理論上為零，可以實(shí)現(xiàn)最小的損耗。在大電流操作期間，肖特基可以處理大部分電感電流，但是無法處理全部電感電流。它不能處理穿過MOSFET的體二極管的部分電流。這就是集成的

6、器件的QRR 額定值不是為零的原因。下面的兩條曲線說明了發(fā)生在TJ=25 時(shí)的一個(gè)例子。圖1是標(biāo)準(zhǔn)溝道MOSFET體二極管的VF 特性，3 A條件下的VF 為0.72 V。圖2是集成了肖特基的MOSFET是VF 特性，3 A條件下的VF 為0.49 V，它來自于肖特基的VF。這就是我們看到的在輕負(fù)載時(shí)的效率提高的原因。不過，一旦電流增加到10 A，VF 就變成了0.72 V，它類似于正在導(dǎo)通的MOSFET體二極管。在10 A條件下，我們可以估計(jì)出，通過肖特基的電流大約為7 A，而通過體二極管的電流大約為3 A。所以在重負(fù)載條件下，只要大部分電流通過肖特基二極管，效率水平就可以提高。圖1. 標(biāo)準(zhǔn)

7、溝道MOSFET的VF 特性。圖2. 集成了肖特基二極管的MOSFET的VF 特性。改善應(yīng)用性能我們來看看一個(gè)采用SI4642DY SkyFET的簡單降壓式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用對(duì)效率的貢獻(xiàn)。該器件是一個(gè)集成了用作低端開關(guān)的肖特基二極管的30 V MOSFET。其VIN 為19 V，VOUT 為1.3 V，它類似于標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一種用來評(píng)估低端開關(guān)性能的標(biāo)準(zhǔn)高端MOSFET。在這個(gè)評(píng)估中，使用了一個(gè)高端MOSFET和兩個(gè)低端MOSFET。兩個(gè)器件上加了4.5 V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溝道MOSFET相比，集成的器件在輕負(fù)載條件下的效率超過了前者。這種改善可以將開關(guān)頻率從300 KHz

8、增加到550 KHz。在300 KHz條件下，輕負(fù)載的改善大約為2 %，而在550 KHz條件下約為4 %。兩個(gè)MOSFET的rDS（on） 額定值類似。因此，SI4642DY SkyFET技術(shù)利用了在MOSFET芯片上集成肖特基二極管的優(yōu)勢，平衡了MOSFET本征體二極管的局限性。其最終結(jié)果是降低了服務(wù)器、筆記本和電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）等系統(tǒng)的功耗。圖3. 300 KHz條件下SI4642DY SkyFET的效率曲線。圖4. 550 KHz條件下SI4642DY SkyFET的效率曲線。講座預(yù)告：Vishay應(yīng)用技術(shù)講座成都專場2010年9月7日，知名被動(dòng)元件與分立器件供應(yīng)商Vishay在成都開展專場技術(shù)講座，不同領(lǐng)域技術(shù)專家分別探討電容、電阻、電感、光隔離器、功率器件在工業(yè)電源、機(jī)車電源系統(tǒng)、電機(jī)控制、逆變器、變頻器等領(lǐng)域的應(yīng)用。講座主題：1）電容器在工業(yè)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用：主要探討電容在工業(yè)電源、太陽能發(fā)電、機(jī)車電源等一些領(lǐng)域上的應(yīng)用與選型。2）新能源技術(shù)中電阻及電感的應(yīng)用和選擇：新能源技術(shù)對(duì)電阻等元器件的要求；新能源技術(shù)中電流檢測的解決方案；厚膜功率電阻在變頻器中的應(yīng)用；模塊電源中功率電感的選擇和應(yīng)用。3