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吉時利公司 隨著功率電源技術和信息技術的發展，用戶對高效率小體積產品的要求越來越高，對電源的性能也相應提出了更為苛刻的規范要求，電源市場迎來巨大的商機，同時也迎來了巨大的挑戰。本次報告包括以下幾項內容：系統效率和功率密度的重要性，行業發展的趨勢以及相應的解決方案，電源設計中面臨的挑戰，需要更高系統效率和功率密度的一些典型應用，以及在選用飛兆半導體采用屏蔽技術的中等電壓Power Trench MOSFET后可實現更高系統效率和功率密度。 基于系統效率和功率密度發展趨勢示意圖，我們可以清晰的看出，在最近的十年間系統的效率和功率密度有了巨大的提升，尤其以服務器和通信電源為顯著。這一巨大的提升是如何實現的呢？它主要是通過嘗試新的拓撲結構，引進新技術高性能的功率器件，同時通過良好的系統設計來保證，以上幾點我們會在接下來的內容中給出進一步的討論。 系統效率和功率密度的重要性 為了說明系統效率和功率密度的重要性，我們以通信網絡能耗增長為例做簡要介紹。自2009年開始，通信網絡每年的能耗百分比都以線性上升，到2016年這一數字將翻番，這彰顯了系統的效率和功率密度對于工業應用是多么重要。 隨著對電源系統效率和功率密度不斷提高的行業發展趨勢，各個國家和地區針對自己的具體情況開發并頒布了一系列新的標準以適應本國情況，例如美國的能源之星、歐盟的生態標準以及中國的CSC標準。電源行業針對這些新的要求，通過提高系統效率，增加功率密度及降低能源成本的方式來達到新標準的要求。 針對于服務器應用和通信應用的高性能電源，在設計過程中有以下三個指標尤為重要：一、如何提高系統的功率密度，二、如何提高系統輕載下的效率，三、如何實現長系統壽命下的高可靠性。圖片所示是在原系統基礎上改用飛兆半導體中等電壓Power Trench MOSFET后在輕載25%狀態下效率有明顯的提高，大約1%左右。 
系統效率和功率密度發展趨勢示意圖 飛兆半導體應用解決方案 針對目前高性能電源設計中的難點，飛兆半導體的解決方案可以幫助客戶降低系統的RDS（ON），減少系統的傳導損耗，減少系統的開關噪聲，以及減少系統的熱耗散，從而使得單位面積做到最小。除了通信電源以及服務器電源之外，需要更高效率和功率密度的應用還有很多，例如ATX電源以及專事轉換器、VRM模塊、D類音頻放大器以及馬達驅動等。 這里我們首先以AC-DC同步整流應用為例。在通訊電源的應用中它的主功率部分主要由功率校正電路、原邊的電源轉換電路、副邊的整流電路組成，我們可以很清楚的看到，在圖中有非常多的功率器件，系統的效率也就由這些功率器件的工作效率以及本身的性能優劣決定。 在服務器中隔離型或非隔離型DC-DC電路的應用，我們可以用方框圖來描述。在下方藍色圖中是一典型的服務器電源的組成架構，它由原邊、副邊以及非隔離型的DC-DC電路組成。如通信電源一樣，在其中有非常多的功率器件來實現電流、電壓的轉換電路，使系統的效率高低以及功率密度可以做的好壞和功率器件的選擇有著直接和密不可分的關系。在以上描述的功率轉換電路中，選擇飛兆半導體采用屏蔽柵極技術的中等電壓Power Trench MOSFET之后，可以實現系統的更高效率和更高的功率密度。 屏蔽柵極技術 這里我們對溝槽型功率MOS管的發展做一個簡單的回顧。左邊是傳統溝槽型MOSFET的典型結構，與前期的平面結構的MOS管相比，它具有更低的RDS（ON）以及更好的開關特性。經過一段時間的發展，底部有厚氧化層的溝槽型MOS管替代了傳統的溝槽型MOS管，它可以減少外延層的寄生電阻，得到更低的RDS（ON）。在采用屏蔽柵極技術的Power Trench MOSFET技術之后，可以使功率MOS管具有更高的單元密度，同時在采用電荷平衡技術之寄生電阻后，可以更加有效的減少Epi電阻，從而更大程度的減小了寄生電阻的阻值，以及提高了開通與關斷的特性。 在使用了飛兆半導體Power Trench結構功率MOS管之后效能是如何提高的呢？我們以一臺1000W的通信電源為平臺做一些產品的對照比較。在使用了飛兆半導體FDH055N15A之后，效能提升可以從最小0.2%到超過0.5%，也就是可以有最高5W的功率提升，可以從圖中看出，藍色線是使用了飛兆半導體的功率器件，紅色線是競爭對手的5.9mΩ的一顆150V的相同規格的MOS管的測試曲線。 與競爭對手的Power Trench 結構功率MOS管相比，飛兆半導體屏蔽柵極技術的MOS管在同步整流的運用下有明顯的優勢。如圖中所示，飛兆半導體的FDP036N10A與競爭對手最好的MOS管相比，在Qg值上仍然比競爭對手低10%以上。我們可以讀出它的數據，飛兆半導體的FDP036N10A的Qg值是58.7，而競爭對手最好的MOS管也要達到76.2。
系統輕負載效率比較
AC-DC同步整流應用 同步整流中的驅動損耗 從左邊測試曲線可以看出，在導通期間內電流從源極到漏極流過MOSFET溝道，并在死區時間流過體二極管，由于在開關瞬變期沒有電壓穿過同步開關，所以這里不會發生“密勒效應”，在柵-源電壓上沒有過渡平臺。再看右邊的曲線圖，紅色線為沒有了“密勒效應”的驅動波形，可以看到它的時間相對傳統MOS管的時間有著明顯的縮短。 在針對隔離型和非隔離型DC-DC應用中如何提高效能，我們基于一款1/16磚的平臺上做了一系列的比較試驗。在采用了飛兆半導體FDMS86252與主要競爭對手產品比較，效率提升范圍最小為0.4%，最大為超過1%，也就是有0.32W的功率提升，從圖中可以看出，上面的曲線為采用了飛兆半導體FDMS86252的測試曲線。 眾所周知低的RDS（ON）可以提高系統效能以及功率密度，這里我們針對芯片級對RDS（ON）的貢獻做出分析。在比較每一串聯電阻對低電壓部分和高電壓部分的貢獻率時，可以看到，當Vg=10V、單位電流密度為200A/cm2時，外延層的電阻占的比例至關重要。在30V的VDS時，外延層的電阻只占29%，但當VDS上升到100V時，外延層的電阻將占到整個RDS（ON）的78%。所以現今在高壓MOSFET上所做的大部分開發工作，都正在轉向如何減少漂移區的EPI電阻。 現今如要滿足行業的標準，就必須要提高設計的效率以及增加功率密度。飛兆半導體的屏蔽柵極功率MOSFET中，在5X6mm尺寸內最低RDS（ON）最大值可以做到2.5mΩ，典型值為60V的擊穿電壓。如右圖所示，屏蔽柵極功率MOS管的擊穿參數除傳統的參數Cds、Cgs和Cgd之外，這里增加了CG屏蔽層以及CD屏蔽層，CG屏蔽層以及CD屏蔽層的電容作用會在后邊給出解釋。 飛兆半導體領先的RDS（ON）性能 基于飛兆半導體屏蔽柵極技術所提供的RDS（ON）性能，從圖中可以讀出，飛兆半導體屏蔽柵極技術功率MOS管測試點都在競爭對手的下邊，也就是說在相同的測試條件下，飛兆半導體屏蔽柵極技術可以提供更低的RDS（ON）性能。 在選用飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管后，功率密度又是怎么增加的呢？我們基于AC-DC同步整流應用做一簡單介紹。在選用飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管后，可以有效減少電壓尖峰，其結果是可以使設計者選用更低額定電壓的MOSFET，同時大多數應用都無需外部緩沖器。在相同測試條件下，使用飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管后電壓尖峰可以比對手的小10%以上。
隔離型或非隔離型DC-DC的應用 同步整流中的電壓尖刺損耗 在同步整流中，與器件相關的主要參數是MOS管的體二極管的柔和程度，針對于飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管而言，這一特性會比競爭對手更好，也就是我們定義體二級管恢復時間的TB/TA為軟恢復特性，當這特性較軟時，意味著同步整流中的電壓尖刺可以被有效降低，其結果是可以省去緩沖器電路，或者用較低額定電壓MOS管替換較高額定電壓的MOS管。 屏蔽柵極技術的優勢 可以帶來優良的體二極管性能，而優良的體二極管性能又可以帶來軟反向恢復特殊和低電壓尖刺，下三圖是實測結果。左面是使用了飛兆半導體屏蔽柵極技術的體二極管反向恢復特性，最高毛刺電壓僅有56.8V，中間圖是和競爭對手最好的MOS管相比，它的方向尖峰電壓仍然到63.32V。 對于隔離型或非隔離型DC-DC的應用中，在考慮到線路板空間更小，又需要增加功率密度時，我們推薦Power56的封裝形式，而非D2PAK或其他封裝模式。在使用了飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管后，可以減少開關節點的振鈴現象，同時由于屏蔽柵極功率MOS管固有的電子和電容，可以實現內置的漏極到源極的緩沖電路，從而在大多數應用都無需外部緩沖電路。 與傳統的Power Trench 功率MOS管相比，屏蔽柵極技術有著獨特的優勢。屏蔽柵極技術MOS管可以減少QGD，減少QGD帶來的結果是可以擁有非常優良的開關特性及較低的振鈴現象，較低的振鈴現象又可以使多數情況下無需外接緩沖電路。通過比較我們可以看到，采用飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管后產生的振鈴不到競爭對手的一半。 現在對電源系統的高能耗成本做系統分析。以服務器機架電源成本為例，預計2011年服務器數量將達到870萬臺，每臺服務器的額定電源為4X2KW/h，即8KW/h，而每個機架有8臺服務器，就是有大約100萬個服務器機架，乘以8KW/h后得到額定功率為800萬KW/h，以每KW/h價格0.15美元計算，最后得到成本為120萬美元。對應如此高的能源成本，我們只能通過提高電源效率、提高功率密度，來節約電源的高能耗成本。 現在看看系統選用飛兆半導體的高成本效益電源之后會有什么變化。我們選用Power56技術封裝的屏蔽柵極MOS管FDMS86500L，它可以使整機效率提高約1%，即每個電源每小時節電20W，每個服務器機架每年節電800W，每個服務器機架每年可以節省105美元，考慮到全部服務器機架數量為100萬臺，這樣總體每年可以節省約11.4億美元。這里我們可以看到，提高效率可以大幅節省成本，而提高功率密度又可以提供占位更小的解決方案，從而進一步節省成本。 總結 對于功率電源領域的發展趨勢而言，更高的系統效率以及更高的功率密度已經成為各大公司及其設計人員所要達到的首要目標。根據這一系列的高要求，飛兆半導體推出了一系列的高性能的屏蔽柵極功率MOS管，可以很好的幫助設計人員解決效率以及功率密度的問題。飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管針對通信電源、服務器電源以及DC-DC同步整流電路，可以提高效率和功率密度，對于飛兆半導體屏蔽柵極功率MOS管的特點而言，具有低的Qg、軟的體二極管的恢復特性以及極低的RDS（ON），以上特性均可以對系統的效率以及功率密度產生相當的貢獻。 問答選編 問：3061之類的應該都是隔離過零驅動吧？ 答：moc302x 系列 問：電壓最好降額80%來使用，額定100V的管子用在20V的電路里比較安全，還是用在80V的電路里比較安全？ 答：100V的管子，在系統穩態暫態各種工作條件下，電壓不要超過80V，比較理想。 問：MOS當二極管用，中間的管腳必須要剪斷嗎？為什么不直接用二極管呢？ 答：不用。二極管的壓降在1V左右，如果輸出電壓很低，比如5V，這時候對效率影響很大，這時就需要同步整流。 問：MOS管在高速開關時產生的輻射主要是傳導的還是輻射的？應該如何去除此種EMI? 答：傳導會是主要的，盡量減小回路，同時加吸收回路。 問：MOS管在什么情況下最容易損壞，之前有個電源的MOS擊穿了，最后廠家解釋說是電容里的靜電或人體靜電，通過MOS管卸放，擊穿MOS管，這可能嗎？ 答：通過MOS管卸放也有可能擊穿MOS的，所以操作人員要帶防靜電設備 問：Power Trench MOSFET的熱特性和保護性能如何?使用時是否需要加散熱器? 答：Trench技術可以提高效率，以此減小發熱，因此熱特性會好一些。是否加散熱器要根據具體應用來決定。MOS本身沒有保護線路，因此需要工程師在設計時考慮裕量 問：Power Trench MOSFET的主要封裝形式有哪幾種？ 答：這個從貼片到直插的一些常用封裝都是有的。TO220, TO263, Power56等 問：Power Trench MOSFET的主要優勢是什么? 答：1.減小導通電阻Rdson；2.提高開關性能；3 Bodydiode的軟恢復性能 問：采用PFC電路,是否有助于提高電源效率?為什么? 答：采用PFC不會提高系統效率，反而會降低效率，因為PFC會增加元器件，反而會增加損耗。但是有了PFC，你的功率因數會提高，這樣即使效率低一些，反而會省電。用電量=實際使用的電量/功率系數。 問：采用Power Trench MOSFET,效率能提高多少? 答：采用Trench技術，中低壓MOS的導通阻抗通常會小20~30%，考慮到開通損耗，綜合效率可以提高20%左右。 問：產品的產地在哪里，供貨周期一般是多久？ 答：我們的封裝工廠分布在蘇州，馬來西亞和菲律賓。TO-220的產品大多在蘇州生產。供貨周期通常在8-12周。 問：從頻率特性和熱特性以及封裝成本來看, 采用那種封裝的Power Trench MOSFET較優? 答：從頻率特性來看，一般貼片的封裝相對的寄生電感會小。而從散熱的角度出發，像TO220這樣起直插的，可以更方便地進行散熱器的放置。 問：電源的功率芯片的發熱和系統輸出功率有什么關系？ 答：這個問題比較大，要具體到信號和電路才好分析，跟Vcc和反饋都有很大關系 問：電源的功率芯片的發熱和系統輸出功率有什么關系？ 答：發熱和輸出功率沒有必然聯系。發熱取決于效率和散熱情況。不過一般情況下，由于功率大的產品電流也較大，發熱量大，功率器件容易發熱。 問：防靜電性能如何？ 答：我們在美國專門有一個team做靜電方面的研究，所以靜電防護是我們產品的強項。而且我們可以幫助客戶檢查他們的產品，是否存在靜電隱患。 問：飛兆MOSFET采用的是哪種可靠性壽命試驗？是加速壽命試驗嗎？ 答：我們會做HTRB測試。 問：飛兆半導體是如何提升系統效率和功率密度？ 答：飛兆半導體的分立元件，性能在業內都是領先的，可以保證客戶實現很高的效率，在高效率的基礎上滿足盡量小的空間應用。此外，飛兆還推出目前比較流行的高效率拓撲控制器，比如LLC。 問：飛兆的MOS有沒有與其相匹配的飛兆電源IC，組合搭配應用的建議？ 答：臨界導通模式的PFC控制器，以及反激控制芯片，LLC控制芯片，這些都有。 問：看到有的快速導通的二極管直插管腳上套著磁環，應該是防止EMI的，有這個必要嗎？ 答：加磁環大多是為了解決EMI問題，這是有效的辦法，但是會稍微影響一點效率，也會增加成本。 問：快速開關速度的解調器電源系統提升效率比大約是多少？ 答：這個應系統設計不同而不同， 有些可以提高達20% 問：請問電源PCB的布局對電源效率有影響嗎? 答：沒有一個本質的關系。但PCB布局會影響到寄生參數。會對效率有相應的影響。 問：如何實現AC/DC同步整流?能提供相應的電路和所采用的器件嗎? 答：同步整流只是用MOS當二極管用，所以，具體的實現要根據拓補結構而定，包括相應的控制電路。如果需要技術支持和相關的樣品，請聯系我們就近的辦事處。 問：如何有效降低電源中Power Trench MOSFET中的開關損耗？ 答：我們現在PT MOS利用了柵極屏蔽技術，有效地降低了Qg, Ciss, 等寄生參數，而這些正是開關損耗的相關因素。 在線座談（Online Seminar）是中電網于2000年推出的創新服務，通過“視頻演示＋專家解說＋在線問答”三位一體相結合的形式，充分發揮網絡平臺的便捷性，實現了先進半導體技術提供商與系統設計工程師的實時互動交流，其形式和內容都廣受電子行業工程師的好評。本刊每期將挑選一些精華內容整理成文，以饗讀者。欲了解更多、更詳細的內容，敬請登錄http://seminar.eccn.com。 GEC |
