瑞薩用于電池充電器的功率MOSFET

功率mosfet應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)
功率mosfet有著各種各樣的應(yīng)用，如電源管理、交流-直流電源轉(zhuǎn)換、直流-直流電源轉(zhuǎn)換、ups、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車電子、數(shù)字音頻功效以及在lcd、pdp方面的應(yīng)用等。不同的應(yīng)用對(duì)于mosfet的工作頻率和漏-源電壓有不同的要求。

瑞薩開發(fā)的移動(dòng)電源充電器的交流適配器，它的關(guān)鍵器件是用在源邊的功率mosfet rjk6022dje，器件的電壓可達(dá)600v。

對(duì)于用于大功率級(jí)的交流適配器，就高端的筆記本電腦來說，其功率高達(dá)90 150w。這種情形下，高的轉(zhuǎn)換效率是非常重要的。為此瑞薩在設(shè)計(jì)上采用了mos同步整流器和更復(fù)雜的源邊電路，這種電路在輸出功率100w、整流電流7a時(shí)，效率可達(dá)90%。將mos整流器與普通sbd整流器兩者在整流損耗性能上進(jìn)行比較，可以看出sbd整流損耗為3.0，mos為0.61，大大少于前者。

功率mosfet除了用在充電器的交流適配器中，還用在諸如筆記本電腦系統(tǒng)的內(nèi)部，一是用于鋰離子電池塊中，二是用在電腦電源的直流-直流轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生多樣電流電壓的電路中。

按照筆記本電腦cpu內(nèi)供電趨向低電壓和大電流、系統(tǒng)趨向高功能智能化性能的基本發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)功耗會(huì)變得很大，電流也會(huì)大大增加。這就需要交流適配器具有大功率容量。另外，鋰離子電池的電流也會(huì)急劇增大。所有這些要求都需要由低功耗的功率mosfet來滿足。

瑞薩mosfet開發(fā)新進(jìn)展

這里來研究電源管理開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。功率mosfet用作鋰離子電池電源管理開關(guān)時(shí)，最重要的參數(shù)是漏-源之間的導(dǎo)通電阻rds(on)，這個(gè)電阻越小越好。從p溝道m(xù)osfet的發(fā)展進(jìn)程來看，從1998年至今，該類產(chǎn)品已從第六代發(fā)展到第八代產(chǎn)品，并正在計(jì)劃第九代產(chǎn)品，其rds(on)的值是逐漸降低的。

針對(duì)小型化的發(fā)展需要，瑞薩實(shí)施了開發(fā)2合1芯片lfpak的計(jì)劃，該產(chǎn)品的特點(diǎn)是：（1）將充電和放電兩部分合在一個(gè)芯片內(nèi)，這樣電池板可以做得更小更薄。（2）獲得低的rds(on)，具體為7.5m ，以及低的熱阻。

（1）超薄封裝，厚度僅為0.8mm，是sop-8的54%。（2）低熱阻。
以筆記本電腦電池管理為例進(jìn)行說明。在鋰離子電池的管理中，原來使用sop-8封裝的hat1048r要用4片，現(xiàn)在改用lfpak封裝的hat1125h只要2片。這樣使得整個(gè)鋰離子電池和筆記本電腦做得更小更薄。

瑞薩mosfet器件性能評(píng)估

對(duì)于高端的電源充電器也即轉(zhuǎn)換充電器應(yīng)用，要求功率mosfet有以下特點(diǎn)：（1）高效率，以便做到低耗能。（2）大電流，以便快速充電。（3）小而薄的封裝，以便做到小尺寸。

從快速充電器的基本電路構(gòu)成上看，電路中要用到上下兩個(gè)功率mosfet，稱之為上部和下部。在高端應(yīng)用中，瑞薩采用上下兩個(gè)n溝道管子。在中檔應(yīng)用中，上下兩部分別采用n溝道和p溝道管子。
下面來研究與快速充電器電路有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。最關(guān)心的是漏-源導(dǎo)通電阻rds(on)，與之相關(guān)重要參數(shù)有（1）低的柵-漏電荷qgd，有利于低的rds(on)；（2）低的柵極電阻rg，有利于低的qgd；（3）應(yīng)該對(duì)下部的門限電壓優(yōu)化。

低的qgd有利于獲得高的效率。這里用maxim1717實(shí)驗(yàn)板在頻率300kh z、輸出電壓1.6v、輸出電流10a的條件下進(jìn)行測(cè)試，上部電路固定為hat20682，下部電路用3種不同ron/qgd比值的hat20682。hat20682屬于d7-l類型。在最低qgd為5.0nc的情況下，效率最高。
降低柵極電阻rg有利于提高工作頻率和開關(guān)損耗，仍用maxim1717實(shí)驗(yàn)板，測(cè)試條件為vin為12v、f為300khz和1mhz。測(cè)試結(jié)果，rg變大時(shí)，效率變低。

優(yōu)化門限電壓vth有兩個(gè)目的，一是避免誤開通，二是提高效率，降低損耗。安排上部固定為hat2168h，下部用具有三種不同vth值的hat2165h和hat2265h。實(shí)驗(yàn)板仍是maxim1717。測(cè)試條件是vout=1.3v、iout=10a，f=1mhz。從測(cè)試結(jié)果看，不同的vth有不同的效率曲線，需要找出一個(gè)最高效率曲線，即得到優(yōu)化的vth。

1.用于快速充電器的產(chǎn)品性能。

2.用于快速充電器的wpak封裝產(chǎn)品系列，其特點(diǎn)是超薄封裝，厚度最大僅0.8mm。

3. 把上部電路和帶sbd二極管的下部電路結(jié)合在一起的例子。這類復(fù)合產(chǎn)品的特點(diǎn)是：上部的mos電路是低qgd/高速切換、低ron；下部的mos電路內(nèi)置有sbd二極管。封裝形式可以是wpak或sop-8。其應(yīng)用主要為筆記本電腦dc /dc轉(zhuǎn)換，輸出電流為2 3a。