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目前，通訊系統(tǒng)要求越來越快的處理速度，其內(nèi)部專用集成芯片、處理器單元等電路消耗的電流也越來越大。同時，為減小系統(tǒng)的體積和尺寸，內(nèi)部的低壓大電流的 DC/DC 變換器不斷向高頻、高密度方向發(fā)展。頻率的提高帶來了系統(tǒng)變換效率的降低。此外，世界范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染提出了節(jié)能減排的要求，因此，基于高頻的變換器必須采用新型的器件，以保證系統(tǒng)既能工作在高頻下，實現(xiàn)小尺寸小體積，又能提高系統(tǒng)的整體效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。整體效率的提高，進(jìn)一步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量，提高了系統(tǒng)的可靠性。通訊系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)板使用了大量的降壓型變換器，本文將詳細(xì)的討論這種變換器的設(shè)計。 降壓型變換器工作特點 在通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)板上，前級通常是從-48V電源通過隔離電源或電源模塊得到12V或24V輸出，也有采用3.3或5V輸出。目前基于ATCA的通訊系統(tǒng)大多采用12V的中間母線架構(gòu)，然后再由降壓型變換器將12V向下轉(zhuǎn)換為3.3、5V、2.5V、1.8V、1.25V等多種不同的電壓。常規(guī)的降壓型變換器續(xù)流管采用肖特基二級管，而同步降壓型變換器下面的續(xù)流管卻使用功率MOSFET。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)小，導(dǎo)通電壓也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于肖特基二級管的正向壓降，所以效率更高。因此，對于低壓大電流的輸出，通常利用同步的降壓型變換器獲得較高的效率。 對于降壓型變換器，有以下的公式： Vo=Don×Vin 其中，為占空比。當(dāng)輸入電壓較高時，占空比就小。因此，當(dāng)輸入電壓高，而輸入電壓較低，即輸入輸出的電壓差較大時，在一個開關(guān)周期，上部主功率開關(guān)管導(dǎo)通的時間將減小，而下部續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通的時間將延長。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形，陰影為產(chǎn)生開關(guān)損耗的部分。 (a) 上管的開關(guān)波形 (b) 下管的開關(guān)波形 
上部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗，同時MOSFET導(dǎo)通電阻Rds(on)也將產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗。平均導(dǎo)通損耗與占空比和導(dǎo)通電阻 Rds(on)成正比。對于基于ATCA的通訊系統(tǒng)，其輸入電壓為12V，輸入輸出的電壓差大，占空比小，因此導(dǎo)通損耗相對較小，而開關(guān)損耗占較大比例。開關(guān)損耗主要與開關(guān)頻率及MOSFET在開關(guān)過程中持續(xù)的時間成正比。開關(guān)持續(xù)的時間與MOSFET漏柵極的米勒電容直接相關(guān)。米勒電容小，開關(guān)持續(xù)時間短，則開關(guān)損耗低。因此，對于上部MOSFET管的功率損耗，必須同時考慮開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。為降低導(dǎo)通電阻 Rds(on)，MOSFET通常要采用更大面積的晶圓，這樣就可以得到更多的小單元，多個小單元并聯(lián)后的總導(dǎo)通電阻Rds(on)就更低。但與此同時，這也會增加漏極和柵極的相對面積，從而增大漏極和柵極米勒電容。 從波形可以看到，對于下部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中，沒有產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是一個自然的0電壓的關(guān)斷，因為在MOSFET的漏極和源極有一個寄生的電容。由于電容的電壓不能突變，所以在關(guān)斷的過程瞬態(tài)過程中，漏極和源極電壓幾乎為0。這樣在關(guān)斷的過程中，電壓與電流的乘積也就是關(guān)斷的功耗為0。對于MOSFET，要想實現(xiàn)0電壓的開關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實現(xiàn)其0電壓開通。 為防止上下管直通，同步降壓型變換器的上下管通常有一個死區(qū)時間。在死區(qū)的時間內(nèi)，上下管均保證關(guān)斷。當(dāng)上管關(guān)斷后，由于輸出電感的電流不能突變，必須維持原來的方向流動，所以下部功率MOSFET內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通。寄生二極管導(dǎo)通后，下部MOSFET的漏極和源極的電壓為二極管的正向壓降，幾乎為0，因此在寄生二極管導(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通，開通損耗為幾乎0。這樣下管是一個0電壓的開關(guān)，開關(guān)損耗幾乎0。因此在下管中，主要是由導(dǎo)通電阻Rds(on)形成導(dǎo)通損耗。下管的選取主要考慮盡量選用低導(dǎo)通電阻Rds(on)的產(chǎn)品。 此外，為減小在死區(qū)時間內(nèi)體內(nèi)寄生二極管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來的功耗，通常會并聯(lián)一個正向壓降低、反向恢復(fù)時間短的肖特基二極管。過去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)一個肖特基二極管，現(xiàn)在通常將肖特基二極管集成在下部MOSFET管內(nèi)部。起初是將一個單獨的肖特基二極管和一個MOSFET 封裝在一起，后來是將它們做在一個晶圓上。將一個晶圓分成二個區(qū)，一個區(qū)做MOSFET，一個區(qū)做肖特基二極管。 二極管具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不太容易。在一個晶圓上分成二個區(qū)做MOSFET和肖特基二極管，那么肖特基二極管在與MOSFET交界的區(qū)域溫度高，而離 MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度低。當(dāng)肖特基二極管溫度高時，流過更大的電流，因此與MOSFET交界的肖特基二極管區(qū)域的溫度將進(jìn)一步上升，可能導(dǎo)致局部損壞。現(xiàn)在通常將肖特基二極管的單元做到MOSFET的單元里面，這樣可能得到更好的熱平衡，提高器件可靠性。 適用于上管的SGT新型功率MOSFET 通常，對于MOSFET，導(dǎo)通電阻Rds(on)和漏極柵極的米勒電容是一個相互矛盾的參數(shù)，必須采用新技術(shù)才能解決這個問題。對于同樣面積的晶圓，如果要減小米勒電容，則必須減小漏極和柵極相對接觸面積。最為直觀的方法是對柵極采用一定的屏蔽技術(shù)，減小漏極和柵極的相對電容。圖2就是采用AOS的專利技術(shù)SGT所制作的具有極低漏極柵極米勒電容的新型功率MOSFET。
在圖2中，除了柵極結(jié)構(gòu)，其它部分是標(biāo)準(zhǔn)的采用Trench工藝的MOSFET。柵極被分割成上下兩個部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起來。下部分在內(nèi)部和上部分的柵極相連，而下部分柵極的屏蔽層被連接到源極，以減小漏極柵極米勒電容。采用這種技術(shù)設(shè)計的MOSFET，例如AOL1464，其Vds為 30V，在Vgs等于10V條件下，Rds(on)為6.2mΩ，而其Crss只有20pF。這樣大大減小了開關(guān)過程中米勒平臺的持續(xù)時間，降低了開關(guān)損耗。AOL1430的Vds為30V，在Vgs等于10V條件下，Rds(on)為2.5mΩ，而其Crss為50pF。圖3給出了下管采用AOS的 AOL1428、上管采用AOL1430的設(shè)計，和采用其他廠家目前Crss最低器件的設(shè)計的效率曲線。由此可見，上管采用AOL1430的設(shè)計具有非常高的效率。請注意，這里的輸入電壓為12V，輸出電壓為1.7V，開關(guān)頻率為300kHz。
適用于下管的超低Rds(on)功率MOSFET 下管主要是導(dǎo)通損耗，因此要盡量使用導(dǎo)通電阻Rds(on)低的功率MOSFET。目前主要通過改進(jìn)工藝和使用新的材料，在同樣面積的晶圓上降低每個單元的電阻，同時盡可能設(shè)計出更多的單元，提高單元的密度，以形成低的導(dǎo)通電阻Rds(on)。 (a) 原來的單元結(jié)構(gòu) (b) 新的單元結(jié)構(gòu)
在圖4中，每個MOSFET單元在相同額定的Vds電壓條件下，導(dǎo)通電阻都相同，具有更高的單元密度，在水平和垂直兩個方向都盡可能縮小了尺寸。AOS的 AON 6702采用DFN的封裝，Vds為30V，在Vgs等于10V條件下，Rds(on)為1.9mΩ，同時內(nèi)部集成了具有優(yōu)異開頭特性的肖特基二極管。 本文小結(jié) 同步降壓型變換器的上管同時具有開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，在輸入輸出壓差大的應(yīng)用中，以開關(guān)損耗為主。導(dǎo)通損耗與MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)成正比，開關(guān)損耗與漏極柵極米勒電容相關(guān)。 采用SGT技術(shù)功率MOSFET具有超低的漏極柵極米勒電容，減小了開關(guān)過程中米勒平臺的持續(xù)的時間，降低了開關(guān)損耗。 同步降壓型變換器的下管只有導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗幾乎為0。建議選取Rds(on)盡量小的MOSFET。采用新工藝和新材料可以提高晶圓上單元的晶胞密度，降低單元的電阻密度。 作者：劉松，丁宇 萬代半導(dǎo)體元件(上海)有限公司 作者介紹：劉松，男，碩士，36歲，萬代半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心經(jīng)理，曾任凌特有限公司上海辦事處應(yīng)用工程師，ST意法半導(dǎo)體上海有限公司高級電源系統(tǒng)工程師，現(xiàn)主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)及模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。發(fā)表論文30多篇，獲發(fā)明專利一項及廣東省科技進(jìn)步二等獎一項。 地址：上海市松江區(qū)松蒸公路888號松江出口加工區(qū)B區(qū)茸康路109弄91號8/9棟 郵編201614 |
