基于優(yōu)化變換器的FET開關(guān)來改善能量效率

　在計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品中，效率已經(jīng)有了顯著的提高，重點(diǎn)是AC/DC轉(zhuǎn)換上。不過，隨著80 PLUS，Climate Savers以及EnergyStar 5等規(guī)范的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員開始認(rèn)識(shí)到，AC/DC和DC/DC功率系統(tǒng)都需要改進(jìn)。

　　AC/DC平均系統(tǒng)效率在65%左右，而DC/DC平均系統(tǒng)效率為80%，所以不難理解為什么大家側(cè)重于AC/DC系統(tǒng)。不過，現(xiàn)在應(yīng)該重新檢查DC/DC系統(tǒng)，找出改善效率的新方法。

　　計(jì)算、通信和消費(fèi)應(yīng)用系統(tǒng)中的DC/DC負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換、管理并分配功率，為顯卡、處理器芯片以及內(nèi)存等功能提供電能，而所有這些功能都面臨著提高性能的需求，因此就比任何時(shí)候都需要更高的效率。已經(jīng)有研究利用MOSFET的最新進(jìn)展以及先進(jìn)的熱封裝技術(shù)來提高現(xiàn)有的開關(guān)電路和相關(guān)的功率晶體管器件的效率。

　　仔細(xì)選擇電源部件，特別是車載的同步降壓變換器，可以大幅度改善新平臺(tái)的功率密度、效率以及熱性能。例如，如果有50萬臺(tái)服務(wù)器都完全符合80 PLUS能源規(guī)定的要求，那么所節(jié)省的能源足以供應(yīng)超過377 000戶家庭的用電。

　　電路和損耗

　　降壓或同步降壓電路是所有低電壓DC/DC功率管理系統(tǒng)的重負(fù)荷部件，而所有同步降壓電路中的主要功率損耗來自MOSFET的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗。

　　在任何臺(tái)式電腦中都可以找到常見的降壓整流器（VRM），如圖1所示，這種整流器在滿載時(shí)可以提供超過25A的電流和1.2V的輸出。因此，1個(gè)MOSFET將位于主通路中或高邊插槽，而2個(gè)并聯(lián)的MOSFET將位于飛輪或底邊插槽中。將12V的輸入降壓為1.2V的輸出，那么占空比是10%，所以高端MOSFET將調(diào)節(jié)為低開關(guān)損耗，而低端MOSFET對(duì)將把RDS(ON)調(diào)節(jié)到最低，以最小化傳導(dǎo)損耗。

圖1  臺(tái)式電腦中常見的電壓整流器

　　由分立的驅(qū)動(dòng)器和MOSFET實(shí)現(xiàn)的多相VRM VCORE方案的典型峰值效率是90%，出現(xiàn)在每相額定電流10A處，而在滿載30A電流時(shí)，效率降低到85%。對(duì)于今天的設(shè)計(jì)人員而言，完整的VRM系統(tǒng)通常輸出功率為100W，效率為85%，也就是說功率損耗為15W。

　　硅基MOSFET的逐步改進(jìn)

　　MOSFET廠商主要通過兩種方式來優(yōu)化工藝的發(fā)展。首先，為了改善產(chǎn)品的開關(guān)特性（開關(guān)速度），他們實(shí)施了先進(jìn)的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了柵極電荷（Qg）效應(yīng)。其次是增加單元密度，也就是說，在大小相同的晶片上，導(dǎo)通電阻顯著降低。RDS(ON)和電流是MOSFET傳導(dǎo)損耗的兩項(xiàng)決定因素，傳導(dǎo)損耗的計(jì)算公式很簡(jiǎn)單：

Ploss=I2×RDS(ON)  傳導(dǎo)損耗

Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F  開關(guān)損耗

　　圖2顯示了Fairchild公司≤30V的N溝道MOSFET單元密度的進(jìn)步。每個(gè)條形都表示新的工藝進(jìn)步。可以看到，在最近的十年中，單元密度從3200萬單元/平方英寸增加到現(xiàn)在的10億單元/平方英寸。

圖2 小于30V的N溝道MOSFET中單元密度的進(jìn)步

　　MOSFET性能系數(shù)

　　在業(yè)界，常用的性能測(cè)量方法始終是性能系數(shù)（FOM），而從根本上講，這只不過是綜合考慮了晶體管導(dǎo)通電阻和柵極電荷。

　　FOM=RDS(ON)×Qg

　　RDS(ON)直接與傳導(dǎo)損耗有關(guān)，而Qg直接與開關(guān)損耗有關(guān)。FOM越小，性能越好。

　　圖3顯示了低電壓MOSFET工藝發(fā)展中FOM的進(jìn)步。對(duì)于2004年實(shí)施的PowerTrench3而言，最好的FOM是240，而今天的PowerTrench5硅工藝中最好的FOM是126。

圖3 低電壓MOSFET性能系數(shù)（FOM）的進(jìn)步

　　遺憾的是，F(xiàn)OM降低50%并不意味著MOSFET損耗減少50%，因?yàn)樗鼈兊年P(guān)系不是線性的。不過，通過仔細(xì)的選擇和優(yōu)化，今天的MOSFET仍然可以顯著降低系統(tǒng)的功率損耗。

　　系統(tǒng)級(jí)效率

　　因此，功率MOSFET是DC/DC功率電路中功率損耗的罪魁禍?zhǔn)祝ㄟ^采用先進(jìn)的器件，可以將這一損耗大幅降低。那么這與系統(tǒng)總體效率有什么樣的關(guān)系呢？

　　設(shè)計(jì)人員尋求方法來改善負(fù)荷分別為低、中等、高時(shí)整個(gè)機(jī)器工作范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率。在滿載時(shí)，例如在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)或者處理工序繁忙時(shí)，功率系統(tǒng)中傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo)。只需選擇RDS(ON)較小的MOSFET就可以顯著降低損耗。非常有趣的是，大多數(shù)PC在工作使用期中大部分時(shí)間處于待機(jī)或睡眠狀態(tài)，因此低負(fù)荷時(shí)的效率非常重要。

圖4 VR11.1（Intel主板電源規(guī)范）VCORE管腿的效率對(duì)比

　　圖4顯示了實(shí)際的效率圖，數(shù)據(jù)取自臺(tái)式機(jī)電源整流器模塊相位管柱。這4條曲線是將2個(gè)不同的MOSFET器件分別在300kHz和550kHz處得到的結(jié)果。我們可以看到整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)的效率。

　    注意上面的兩條曲線，在滿載（30A）時(shí)，可以看到最新的器件的效率有1.5%的改進(jìn)。同樣還是這兩條曲線，在負(fù)荷較?。?5A）時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.69%的改善。如果對(duì)整個(gè)負(fù)荷范圍積分，那么與今天常見的方案相比，使用最新的MOSFET器件時(shí)平均功率損耗可以降低8%～10%。即使在較高的開關(guān)頻率541kHz處，可以看到在負(fù)荷小時(shí)系統(tǒng)級(jí)效率仍然高于80%，而在滿載時(shí)效率大于70%。如果頻率繼續(xù)增加，那么開關(guān)損耗將急劇增加。

　　大多數(shù)DC/DC變換器的最佳工作頻率是250～300kHz，因?yàn)檫@樣的頻率所產(chǎn)生的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗都可以承受，而且輸出到負(fù)載的紋波也足夠低。工作在250kHz以下時(shí)效率會(huì)更高一些，但是電壓輸出的偏差可能太大，因此無法用來給Pentium芯片組供電。

　　同樣的想法可以用于筆記本電腦處理器的電源、游戲機(jī)，還可以用在置頂盒和其他家用消費(fèi)電子產(chǎn)品，盡管它們的電流要小得多。每一毫瓦的能源節(jié)省看起來都舉步維艱。不過，它可以為今天的環(huán)境問題造成全球的改善。許多方法上的小的改進(jìn)都會(huì)產(chǎn)生顯著的效果。