通過優(yōu)化變換器的FET開關來改善能量效率

　在計算和消費電子產品中，效率已經有了顯著的提高，重點是AC/DC轉換上。不過，隨著80 PLUS，Climate Savers以及EnergyStar 5等規(guī)范的出現，設計人員開始認識到，AC/DC和DC/DC功率系統(tǒng)都需要改進。

　　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重于AC/DC系統(tǒng)。不過，現在應該重新檢查DC/DC系統(tǒng)，找出改善效率的新方法。

　　計算、通信和消費應用系統(tǒng)中的DC/DC負責轉換、管理并分配功率，為顯卡、處理器芯片以及內存等功能提供電能，而所有這些功能都面臨著提高性能的需求，因此就比任何時候都需要更高的效率。已經有研究利用MOSFET的最新進展以及先進的熱封裝技術來提高現有的開關電路和相關的功率晶體管器件的效率。

　　仔細選擇電源部件，特別是車載的同步降壓變換器，可以大幅度改善新平臺的功率密度、效率以及熱性能。例如，如果有50萬臺服務器都完全符合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的開關和傳導損耗。

　　在任何臺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可以提供超過25A的電流和1.2V的輸出。因此，1個MOSFET將位于主通路中或高邊插槽，而2個并聯的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將調節(jié)為低開關損耗，而低端MOSFET對將把RDS(ON)調節(jié)到最低，以最小化傳導損耗。

圖1 臺式電腦中常見的電壓整流器

　　由分立的驅動器和MOSFET實現的多相VRM VCORE方案的典型峰值效率是90%，出現在每相額定電流10A處，而在滿載30A電流時，效率降低到85%。對于今天的設計人員而言，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

　　MOSFET廠商主要通過兩種方式來優(yōu)化工藝的發(fā)展。首先，為了改善產品的開關特性（開關速度），他們實施了先進的柵極結構設計，降低了柵極電荷（Qg）效應。其次是增加單元密度，也就是說，在大小相同的晶片上，導通電阻顯著降低。RDS(ON)和電流是MOSFET傳導損耗的兩項決定因素，傳導損耗的計算公式很簡單：

Ploss=I2×RDS(ON) 傳導損耗

Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F 開關損耗

　　圖2顯示了Fairchild公司≤30V的N溝道MOSFET單元密度的進步。每個條形都表示新的工藝進步?？梢钥吹?，在最近的十年中，單元密度從3200萬單元/平方英寸增加到現在的10億單元/平方英寸。

圖2 小于30V的N溝道MOSFET中單元密度的進步

　　MOSFET性能系數

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

　　FOM=RDS(ON)×Qg

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

　　圖3顯示了低電壓MOSFET工藝發(fā)展中FOM的進步。對于2004年實施的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（FOM）的進步

　　遺憾的是，FOM降低50%并不意味著MOSFET損耗減少50%，因為它們的關系不是線性的。不過，通過仔細的選擇和優(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)級效率

　　因此，功率MOSFET是DC/DC功率電路中功率損耗的罪魁禍首，通過采用先進的器件，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系呢？

　　設計人員尋求方法來改善負荷分別為低、中等、高時整個機器工作范圍內的系統(tǒng)效率。在滿載時，例如在計算機啟動或者處理工序繁忙時，功率系統(tǒng)中傳導損耗占主導。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PC在工作使用期中大部分時間處于待機或睡眠狀態(tài)，因此低負荷時的效率非常重要。

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

　　圖4顯示了實際的效率圖，數據取自臺式機電源整流器模塊相位管柱。這4條曲線是將2個不同的MOSFET器件分別在300kHz和550kHz處得到的結果。我們可以看到整個負載電流范圍內的效率。

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

　　大多數DC/DC變換器的最佳工作頻率是250～300kHz，因為這樣的頻率所產生的開關損耗和傳導損耗都可以承受，而且輸出到負載的紋波也足夠低。工作在250kHz以下時效率會更高一些，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，還可以用在置頂盒和其他家用消費電子產品，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都會產生顯著的效果。