再談DC-DC效率：提高能效的新方法

摘要：本文將討論DC-DC功率系統(tǒng)，并著重于同步降壓轉(zhuǎn)換器電路中所采用的功率MOSFET。文中將討論FET器件 (包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)和開關(guān)性能方面) 的最新突破，以及這些突破性進(jìn)展與提升DC-DC降壓電路能效的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：電源轉(zhuǎn)換；DC-DC；FET；MOSFET

　　功率半導(dǎo)體獲得如此多的關(guān)注實(shí)屬罕見，但即使是小小的半導(dǎo)體也能夠在能效方面做出巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)前的“綠色”系統(tǒng)趨勢(shì)不僅意味著采用環(huán)保元件，還為電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了艱巨的挑戰(zhàn)：即節(jié)能和提高系統(tǒng)級(jí)效率?；诖耍β使璁a(chǎn)品如功率MOSFET 正在市場(chǎng)上炙手可熱，因?yàn)閷?duì)任何低壓轉(zhuǎn)換而言，絕大部分在線損耗都是由這些器件產(chǎn)生的，而這直接關(guān)系到系統(tǒng)的總體效率。

　　由于業(yè)界的巨大努力與關(guān)注，計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品在提高功效和降低功耗上已取得驚人的進(jìn)步。一直以來(lái)，業(yè)界焦點(diǎn)都放在 AC-DC “銀盒子”轉(zhuǎn)換上面。然而，隨著80 PLUS、Climate Savers 和能源之星 (EnergyStar 5) 等法規(guī)的出臺(tái)，設(shè)計(jì)人員開始認(rèn)識(shí)到 AC-DC 和 DC-DC 功率系統(tǒng)都需要進(jìn)一步改進(jìn)。AC-DC 系統(tǒng)的平均效率一般在 65% 左右，而 DC-DC 系統(tǒng)則為 80%，因此前者的改進(jìn)空間較大，對(duì)其更為關(guān)注也是不難理解的。目前正是重新審視 DC-DC 系統(tǒng)，尋找能提升效率的創(chuàng)新方法的時(shí)候了。

　　在計(jì)算、通信和消費(fèi)應(yīng)用系統(tǒng)中，DC-DC 系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換、管理和分配能量，為圖形卡、處理器芯片和內(nèi)存等器件供電。隨著對(duì)更高性能和功能性的需求不斷增加，這些器件的耗電量比以往更甚。計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員不得不在功率預(yù)算和效率、成本及性能之間進(jìn)行權(quán)衡。為此，人們一直在就如何評(píng)估開關(guān)電路以及其所采用的功率晶體管器件展開研究，同時(shí)也在 MOSFET 器件和先進(jìn)的熱封裝技術(shù)方面取得進(jìn)展。EnergyStar 和 80 PLUS 法規(guī)的出臺(tái)對(duì)各種消費(fèi)電子產(chǎn)品，尤其是計(jì)算產(chǎn)品意味著有了規(guī)范要求。延長(zhǎng)電池壽命也是當(dāng)今便攜設(shè)備用戶的一個(gè)呼聲。因此，延長(zhǎng)電池壽命、減小波形因數(shù)，以及新的政府法令要求，都在促使設(shè)計(jì)人員仔細(xì)選擇電源部件，尤其是板上同步降壓轉(zhuǎn)換器。這使新平臺(tái)在功率密度、效率和熱性能上有了顯著的改進(jìn)。例如，已有 50 萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器完全達(dá)到 80 PLUS 能效要求，一年節(jié)省的能量足以供應(yīng) 377,000 多戶歐洲家庭所需。

電路和損耗

　　同步降壓電路是低壓DC-DC功率管理系統(tǒng)的主要部分，而導(dǎo)致DC-DC同步降壓電路效率降低的主要因素在于MOSFET的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

　　圖1所示為桌面計(jì)算機(jī)典型的單相降壓調(diào)節(jié) (VRM)。在滿載時(shí)一般將產(chǎn)生高達(dá)25A的電流，并可在12V輸入下，以1.2V輸出電平輸出這樣的電流。為此，主通道電路上 (或者說(shuō)高位) 就得有一個(gè)MOSFET；而在同步側(cè) (或者說(shuō)低位) 就有兩個(gè)并聯(lián)的MOSFET。從12V降到1.2V意味著有10% 的占空比，只有這樣，高位MOSFET才會(huì)實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，而低位的一對(duì)MOSFET才會(huì)有最低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，從而最大限度地降低傳導(dǎo)損耗。

圖1  臺(tái)式電腦典型的單相VRM

　　在采用分立元件驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET的多相位VRM解決方案中，典型的峰值效率在每相額定電流為10A時(shí)一般為90%，而當(dāng)電流為滿負(fù)載30A時(shí)效率降到85%。這10%~15% 的系統(tǒng)能效損耗直接正比于功率和熱耗散。直接來(lái)說(shuō)，所有功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都在努力使損耗和熱耗散達(dá)到最小。就當(dāng)今的設(shè)計(jì)而言，VRM系統(tǒng)一般輸出功率在100W，運(yùn)行效率為85%，這就是說(shuō)，所有的桌面計(jì)算機(jī)都浪費(fèi)了15% 的功率。

MOSFET硅技術(shù)的演進(jìn)

　　MOSFET廠商一直主要在兩個(gè)方面優(yōu)化其半導(dǎo)體開發(fā)。首先是改進(jìn)新產(chǎn)品的開關(guān)特性 (開關(guān)速度)，采用先進(jìn)的柵極結(jié)構(gòu)，從而減弱器件的柵極電荷 (Qg) 效應(yīng)。其次是提高單元密度，即在晶片尺寸不變的前提下，狀態(tài)電阻 (R) 顯著降低。按功率的數(shù)學(xué)定義，導(dǎo)通RDS(ON) 和電流是決定MOSFET傳導(dǎo)損耗的兩個(gè)因素。

　　從上面的公式可看出，如果改進(jìn)MOSFET器件，降低導(dǎo)通電阻RDS(ON和縮短開關(guān)躍遷時(shí)間TRISE 和TFALL，就能減少功率損耗 (PLOSS)。

　　圖2所示為飛兆半導(dǎo)體30V以下N溝道MOSFET器件在單元密度上的改進(jìn)情況。圖中，每個(gè)柱條代表一次新的工藝變革。從此圖可看出，在最近10年，單元密度已經(jīng)從每平方英寸3200萬(wàn)發(fā)展為當(dāng)今的每平方英寸10億。

圖2  單元密度的演進(jìn)
[圖中文字：?jiǎn)卧芏鹊陌l(fā)展趨勢(shì)；技術(shù)發(fā)布，單元密度數(shù)值（百萬(wàn)單元數(shù)量/平方英寸）

　　在業(yè)界，有一個(gè)普適的性能測(cè)量始終是基準(zhǔn)，即品質(zhì)因數(shù) (FOM)，而且基本上是半導(dǎo)體硅片導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 和柵極電荷 (Qg) 的總和。

FOM = RDS(ON) x QG

　　如前所述，RDS(ON) 直接關(guān)系到傳導(dǎo)損耗，QG直接關(guān)系到開關(guān)損耗，因此，F(xiàn)OM越低，器件性能就越好。

　　圖3所示為飛兆半導(dǎo)體的低壓MOSFET工藝技術(shù)的演進(jìn)。2004年推出的PowerTrench  3代，最佳FOM為240，而今天的PowerTrench  5代，最佳FOM為126。

　　不幸的是，F(xiàn)OM降低50%，并不能使MOSFET的損耗也降低50%，因?yàn)閮烧卟⒎蔷€性關(guān)系。不過(guò)，只要仔細(xì)選擇器件和優(yōu)化，當(dāng)今的MOSFET產(chǎn)品仍然可顯著降低系統(tǒng)的功耗。

圖3 品質(zhì)因數(shù)的提高

系統(tǒng)級(jí)效率

　　功率MOSFET是DC-DC功率電路損耗的罪魁，而若采用先進(jìn)的器件，這種損耗可大幅降低。不過(guò)你一定會(huì)問(wèn)，這與系統(tǒng)整體效率有何關(guān)系？

　　系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員正在尋求在輕、中等和重負(fù)載情況下以及在設(shè)備的整個(gè)運(yùn)作范圍內(nèi)提高系統(tǒng)效率的方法。在滿負(fù)載情況下，一臺(tái)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)或在重處理序列，功率系統(tǒng)由傳導(dǎo)損耗主導(dǎo)。因此，只需挑選一個(gè)低RDS(ON)  FET，損耗就可大幅降低。有趣的是，大多數(shù)PC在其運(yùn)作壽命的大部分時(shí)間都處于待機(jī)或睡眠狀態(tài)。因此，功率系統(tǒng)必須考慮輕負(fù)載效率管理，在低輸出電流的情況下，如低于10A，柵極驅(qū)動(dòng)和開關(guān)損耗是主要因素。

圖4  VR11.1 VCORE 的效率比較

　　圖4所示為一部臺(tái)式機(jī)VRM的真實(shí)效率圖。四條曲線是采用兩種不同MOSFET器件在300 KHz 和550KHz的開關(guān)頻率下的結(jié)果。圖中給出了整個(gè)負(fù)載電流范圍的效率。

　　我們著重討論上面的兩條曲線 (300KHz時(shí)的結(jié)果)，在滿負(fù)載時(shí) (30A)，兩種不同器件間效率有1.5%的差距。而在負(fù)載較小時(shí) (15A)，差距也在1%。即使在更高的開關(guān)頻率下 (>500KHz)，系統(tǒng)級(jí)效率在負(fù)載較小時(shí) (15A) 也是80% 以上，而滿負(fù)載時(shí)也超過(guò)70%。

　　如果綜合考慮整個(gè)負(fù)載范圍，可計(jì)算出平均功率損耗減少達(dá)到8-10%。這樣的節(jié)能效果還僅僅是優(yōu)化和選擇了正確的 MOSFET就取得的，而這與目前一般的解決方案不同。

　　反映到實(shí)際的產(chǎn)品中，如果典型的100W臺(tái)式機(jī)DC-DC VRM系統(tǒng)能在電路中節(jié)省10% 的能量，就意味著節(jié)省了10W。2007年全世界生產(chǎn)了1.7億塊主板。如果每塊主板能減少10W的工作能耗，總計(jì)就能節(jié)省1700兆瓦的電力。

　　在美國(guó)，家庭每年平均能耗為11827瓦，這意味著，通過(guò)改善主板DC-DC系統(tǒng)整體能效而節(jié)省的1700兆瓦電力，便可供144,000個(gè)美國(guó)家庭使用一年。

　　同樣的原理也可用于筆記本電腦處理器電源、游戲機(jī)，以及機(jī)頂盒 (雖然電流低得多) 和其它家用電器。

結(jié)語(yǔ)

　　雖然節(jié)省每一毫瓦的能量并不起眼，但這種節(jié)省卻給當(dāng)今的環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)全球性的變化。諸如汽車、建筑和IT之類的主體行業(yè)領(lǐng)域是構(gòu)成這種影響的主流，而只要在局部地區(qū)進(jìn)行微小的變化也足以產(chǎn)生顯著的效果。功率器件產(chǎn)業(yè)非常重視節(jié)能和高能效解決方案。當(dāng)今的技術(shù)可讓我們開發(fā)出新的器件，以提高消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)效率。

　　從本文的分析中看出，僅僅選用先進(jìn)的MOSFET器件就能使典型臺(tái)式計(jì)算機(jī)的能效提高10%。而這樣的產(chǎn)品已經(jīng)面市，現(xiàn)在需要的是設(shè)計(jì)人員、制造廠商和消費(fèi)者共同參與，奉行節(jié)能的原則來(lái)為世界出一分力。