通过优化变换器的FET开关来改善能量效率

1、    通过优化变换器的FET开关来改善能量效率在计算和消费电子产品中，效率已经有了显著的提高，重点是AC/DC转换上。不过，随着80PLUS，ClimateSavers以及EnergyStar5等规范的出现，设计人员开始认识到，AC/DC和DC/DC功率系统都需要改进。AC/DC平均系统效率在65%左右，而DC/DC平均系统效率为80%，所以不难理解为什么大家侧重于AC/DC系统。不过，现在应该重新检查DC/DC系统，找出改善效率的新方法。计算、通信和消费应用系统中的DC/DC负责转换、管理并分配功率，为显卡、处理器在计算和消费电子产品中，效率已经有了

2、显著的提高，重点是AC/DC转换上。不过，随着80 PLUS，Climate Savers以及EnergyStar 5等规范的出现，设计人员开始认识到，AC/DC和DC/DC功率系统都需要改进。AC/DC平均系统效率在65%左右，而DC/DC平均系统效率为80%，所以不难理解为什么大家侧重于AC/DC系统。不过，现在应该重新检查DC/DC系统，找出改善效率的新方法。计算、通信和消费应用系统中的DC/DC负责转换、管理并分配功率，为显卡、处理器芯片以及内存等功能提供电能，而所有这些功能都面临着提高性能的需求，因此就比任何时候都需要更高的效率。已经有研究利用MOSFET的最新进展以及先进的热封装技

3、术来提高现有的开关电路和相关的功率晶体管器件的效率。仔细选择电源部件，特别是车载的同步降压变换器，可以大幅度改善新平台的功率密度、效率以及热性能。例如，如果有50万台服务器都完全符合80 PLUS能源规定的要求，那么所节省的能源足以供应超过377 000户家庭的用电。电路和损耗降压或同步降压电路是所有低电压DC/DC功率管理系统的重负荷部件，而所有同步降压电路中的主要功率损耗来自MOSFET的开关和传导损耗。在任何台式电脑中都可以找到常见的降压整流器（VRM），如图1所示，这种整流器在满载时可以提供超过25A的电流和1.2V的输出。因此，1个MOSFET将位于主通路中或高边插槽，而2个并联的M

4、OSFET将位于飞轮或底边插槽中。将12V的输入降压为1.2V的输出，那么占空比是10%，所以高端MOSFET将调节为低开关损耗，而低端MOSFET对将把RDS(ON)调节到最低，以最小化传导损耗。图1  台式电脑中常见的电压整流器由分立的驱动器和MOSFET实现的多相VRM VCORE方案的典型峰值效率是90%，出现在每相额定电流10A处，而在满载30A电流时，效率降低到85%。对于今天的设计人员而言，完整的VRM系统通常输出功率为100W，效率为85%，也就是说功率损耗为15W。硅基MOSFET的逐步改进MOSFET厂商主要通过两种方式来优化工艺的发展。首先，为了改善产品的开关特

5、性（开关速度），他们实施了先进的栅极结构设计，降低了栅极电荷（Qg）效应。其次是增加单元密度，也就是说，在大小相同的晶片上，导通电阻显著降低。RDS(ON)和电流是MOSFET传导损耗的两项决定因素，传导损耗的计算公式很简单：Ploss=I2×RDS(ON)  传导损耗Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F  开关损耗图2显示了Fairchild公司30V的N沟道MOSFET单元密度的进步。每个条形都表示新的工艺进步。可以看到，在最近的十年中，单元密度从3200万单元/平方英寸增加到现在的10亿单元/平方英寸。图2 小于30V的

6、N沟道MOSFET中单元密度的进步MOSFET性能系数在业界，常用的性能测量方法始终是性能系数（FOM），而从根本上讲，这只不过是综合考虑了晶体管导通电阻和栅极电荷。FOM=RDS(ON)×QgRDS(ON)直接与传导损耗有关，而Qg直接与开关损耗有关。FOM越小，性能越好。图3显示了低电压MOSFET工艺发展中FOM的进步。对于2004年实施的PowerTrench3而言，最好的FOM是240，而今天的PowerTrench5硅工艺中最好的FOM是126。图3 低电压MOSFET性能系数（FOM）的进步遗憾的是，FOM降低50%并不意味着MOSFET损耗减少50%，因为它们的关系不

7、是线性的。不过，通过仔细的选择和优化，今天的MOSFET仍然可以显著降低系统的功率损耗。系统级效率因此，功率MOSFET是DC/DC功率电路中功率损耗的罪魁祸首，通过采用先进的器件，可以将这一损耗大幅降低。那么这与系统总体效率有什么样的关系呢？设计人员寻求方法来改善负荷分别为低、中等、高时整个机器工作范围内的系统效率。在满载时，例如在计算机启动或者处理工序繁忙时，功率系统中传导损耗占主导。只需选择RDS(ON)较小的MOSFET就可以显著降低损耗。非常有趣的是，大多数PC在工作使用期中大部分时间处于待机或睡眠状态，因此低负荷时的效率非常重要。图4 VR11.1（Intel主板电源规范）VCOR

8、E管腿的效率对比图4显示了实际的效率图，数据取自台式机电源整流器模块相位管柱。这4条曲线是将2个不同的MOSFET器件分别在300kHz和550kHz处得到的结果。我们可以看到整个负载电流范围内的效率。    注意上面的两条曲线，在满载（30A）时，可以看到最新的器件的效率有1.5%的改进。同样还是这两条曲线，在负荷较小（15A）时，可以实现0.69%的改善。如果对整个负荷范围积分，那么与今天常见的方案相比，使用最新的MOSFET器件时平均功率损耗可以降低8%10%。即使在较高的开关频率541kHz处，可以看到在负荷小时系统级效率仍然高于80%，而在满载时效率大于70%。如果频率继续增加，那么开关损耗将急剧增加。大多数DC/DC变换器的最佳工作频率是250300kHz，因为这样的频率所产生的开关损耗和传导损耗都可以承受，而且输出到负载的纹波也足够低。工作在250kHz以下时效率会更高一些，但是电压输出的偏差可能太大，因此无法