通信系統(tǒng)中超高效率Buck變換器設(shè)計(jì)考慮

本文介紹了在通信系統(tǒng)中，同步Buck變換器上部功率MOSFET和下部功率MOSFET的工作特點(diǎn)，同時(shí)討論了在設(shè)計(jì)高效率的同步Buck變換器時(shí)，選取上部和下部功率MOSFET原則；介紹了一種新型的采用柵極屏蔽的功率MOSFET，極低的漏柵極米勒電容適合于上部功率MOSFET的應(yīng)用；還介紹了一種適合于下部功率MOSFET應(yīng)用的具有超低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET，兩者的配合實(shí)現(xiàn)超高的變換效率。

目前，通信系統(tǒng)要求越來(lái)越快的處理速度。其內(nèi)部專(zhuān)用集成芯片，處理器單元等電路所消耗的電流也越來(lái)越大；同時(shí)，為了減小系統(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(lái)系統(tǒng)變換效率的降低，另外，由于世界范圍能源危機(jī)和環(huán)境污染提出了對(duì)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，從而可以保證系統(tǒng)既工作在高頻狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)小尺寸、小體積，又整體的提高系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。效率的整體提高進(jìn)一步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量，提高系統(tǒng)的可靠性。通信系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)板上使用了大量的Buck變換器，本文將針對(duì)這種變換器進(jìn)行詳細(xì)的討論。

Buck變換器工作特點(diǎn)在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)板上，通常前級(jí)是從-48V通過(guò)隔離電源或電源模塊得到12V或24V輸出，也有采用3.3V或5V的輸出，目前基于ATCA的通信系統(tǒng)大多采用12V的中間母線架構(gòu)，然后再由Buck變換器將12V向下轉(zhuǎn)換為3.3V、5V、2.5V、1.8V、1.25V等多種不同的電壓。常規(guī)的Buck變換器續(xù)流管采用肖特基二級(jí)管，而同步的Buck變換器下部的續(xù)流管卻使用功率MOSFET，由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻小，導(dǎo)通也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于肖特基二級(jí)管的正向壓降，因此效率更高。因此，對(duì)于低壓大電流的輸出，通常采用同步的Buck變換器得到較高的效率。

對(duì)于Buck變換器，有以下的公式：

其中，Don為占空比。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，占空比就小。因此，對(duì)于高的輸入電壓，而輸出電壓較低，即輸入輸出的電壓差較大時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，上部主功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將減小，而下部續(xù)流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將自延長(zhǎng)。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形，陰影為產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的部分。

(a)上管的開(kāi)關(guān)波形

(b)下管的開(kāi)關(guān)波形

圖1 Buck變換器MOSFET管的工作波形

上部MOSFET管在開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程中，產(chǎn)生明顯的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也存在因?yàn)镸OSFET導(dǎo)通電阻Rds(on)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通平均損耗與占空比和導(dǎo)通電阻Rds(on)成正比，對(duì)于基于ATCA的通信系統(tǒng)。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(duì)較小，而開(kāi)關(guān)損耗占較大的比例。開(kāi)關(guān)損耗主要與開(kāi)關(guān)頻率及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中持續(xù)的時(shí)間成正比。開(kāi)關(guān)持續(xù)的時(shí)間與MOSFET的漏柵極的米勒電容直接相關(guān)。米勒電容小，開(kāi)關(guān)持續(xù)的時(shí)間短，因此開(kāi)關(guān)損耗降低。因此對(duì)于上部MOSFET管的功率損耗必須同時(shí)考慮到開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。對(duì)于MOSFET，通常為了降低導(dǎo)通電阻Rds(on)，就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(gè)小單元并聯(lián)后總的導(dǎo)通電阻Rds(on)就降低，但同時(shí)也會(huì)增加漏極和柵極的相對(duì)面積，也就增大了漏極和柵極米勒電容。

從波形可以看到，對(duì)于下部MOSFET管在開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程中，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的開(kāi)關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是一個(gè)自然的0電壓的關(guān)斷，因?yàn)樵贛OSFET的漏極和源極有一個(gè)寄生的電容，由于電容的電壓不能突變，因此在關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程中，漏極和源極電壓幾乎為0，這樣，在關(guān)斷的過(guò)程中，電壓與電流的乘積也就是關(guān)斷的功耗為0。所以對(duì)于MOSFET，要想實(shí)現(xiàn)0電壓的開(kāi)關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)其0電壓開(kāi)通。

通常同步的Buck變換器為了防止上下管的直通，上下管有一個(gè)死區(qū)的時(shí)間，在死區(qū)的時(shí)間內(nèi)，上下管均保證關(guān)斷。那么在上管關(guān)斷后，由于輸出電感的電流不能突變，必須維持原來(lái)的方向流動(dòng)，因此下部功率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，所以在寄生二極管導(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通，開(kāi)通損耗幾乎為0。這樣下管是一個(gè)0電壓的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗幾乎為0。因此在下管中，主要是由導(dǎo)通電阻Rds(on)形成的導(dǎo)通損耗。下管的選取主要考慮盡量用低的導(dǎo)通電阻Rds(on)。

此外，為了減小在死區(qū)時(shí)間內(nèi)由于體內(nèi)寄生二極管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來(lái)的功耗，通常會(huì)并聯(lián)一個(gè)正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管。過(guò)去主要是下管MOSFET的外部并聯(lián)一個(gè)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(gè)單獨(dú)的肖特基二極管和一個(gè)MOSFET封裝在一起，后來(lái)是將它們做在一個(gè)晶圓上。將一個(gè)晶圓分成兩個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)做MOSFET，一個(gè)區(qū)做肖特基二極管。

由于二極管具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不太容易，在一個(gè)晶圓上分成兩個(gè)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，離MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度低。當(dāng)肖特基二極管溫度高時(shí)，流過(guò)更大的電流，所以與MOSFET交界的肖特基二極管區(qū)域由于溫度高，流過(guò)的電流更大，溫度進(jìn)一步上升，就可能產(chǎn)生局部的損壞。目前，通常將特基二極管的單元做到MOSFET的單元里面，這樣就可能得到更好的熱平衡，提高器件的可靠性。

適用于上管的SGT新型功率MOSFET通常，對(duì)于MOSFET，導(dǎo)通電阻 Rds(on)和漏極柵極的米勒電容是一個(gè)相互矛盾的參數(shù)，除非采用新的技術(shù)，才能解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于同樣面積的晶圓，如果要減小米勒電容，就必須想方法減小漏極和柵極相對(duì)接觸的面積，最為直觀的方法就是對(duì)柵極采用一定的屏蔽技術(shù)，從而減小漏極和柵極的相對(duì)電容。圖2就是采用AOS的專(zhuān)利技術(shù)SGT所制作的新型的具有極低漏極柵極米勒電容的功率MOSFET。

注意到圖2中，除了柵極結(jié)構(gòu)，其他的部分就是標(biāo)準(zhǔn)的采用Trench工藝的MOSFET。柵極被分割成上下兩個(gè)部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起來(lái)，下部分在內(nèi)部和上部分的柵極相連，而柵極的屏蔽層被連接到源極，從而減小漏極柵極米勒電容。用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的MOSFET如AOL1464，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為6.2mΩ，而其Crss只有20pF，極大地減小了開(kāi)關(guān)過(guò)程中米勒平臺(tái)的持續(xù)的時(shí)間，降低了開(kāi)關(guān)損耗。AOL1430，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為2.5mΩ，而其Crss為50pF。圖3中，下管采用AOS的AOL1428，上管采用AOL1430和其他廠家目前Crss最低的器件的效率曲線，可見(jiàn)，上管采用AOL1430具有非常高的效率。注意：輸入電壓12V，輸出電壓 1.7V，開(kāi)關(guān)頻率300kHz。

圖2采用SGT新型功率MOSFET結(jié)構(gòu)

圖3 SGT功率MOSFET效率

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(guò)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(gè)單元的電阻，同時(shí)盡可能的設(shè)計(jì)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)。

圖4中，每個(gè)MOSFET單元，在相同額定的Vds電壓條件下，導(dǎo)通電阻相同，其具有更高的單元密度，在水平和垂直兩個(gè)方向都盡可能縮小了尺寸。AOS的AON 6702采用DFN的封裝，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為1.9mΩ，同時(shí)內(nèi)部集成的具有優(yōu)異特性的肖特基二極管。

(a)原來(lái)的單元結(jié)構(gòu)

(b)新的單元結(jié)構(gòu)

圖4高密度的MOSFET單元結(jié)構(gòu)

結(jié)論

（1）同步Buck變換器的上管同時(shí)具有開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，在輸入輸出壓差大的應(yīng)用中，開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗與漏極柵極米勒電容相關(guān)。

（2）采用SGT技術(shù)的功率MOSFET具有超低的漏極柵極米勒電容，從而減小了開(kāi)關(guān)過(guò)程中米勒平臺(tái)的持續(xù)的時(shí)間，降低了開(kāi)關(guān)損耗。

（3）同步Buck變換器的下管只有導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗幾乎為0。要選取 Rds(on)盡量小的MOSFET。使用新工藝和新材料，可以提高晶圓上單元的晶胞密度，降低單元的電阻密度.