你的位置:首頁 > 測試測量 > 正文

通過優(yōu)化變換器的FET開關(guān)來改善能量效率

發(fā)布時間:2009-09-25 來源:今日電子

中心議題: 解決方案:
  • 實施先進的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計降低柵極電荷(Qg)效應(yīng)
  • 選擇RDS(ON)較小的MOSFET就可以顯著降低損耗

在計算和消費電子產(chǎn)品中,效率已經(jīng)有了顯著的提高,重點是AC/DC轉(zhuǎn)換上。不過,隨著80PLUS,ClimateSavers以及EnergyStar5等規(guī)范的出現(xiàn),設(shè)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(cè)重于AC/DC系統(tǒng)。不過,現(xiàn)在應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)中的DC/DC負責(zé)轉(zhuǎn)換、管理并分配功率,為顯卡、處理器芯片以及內(nèi)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(jīng)有研究利用MOSFET的最新進展以及先進的熱封裝技術(shù)來提高現(xiàn)有的開關(guān)電路和相關(guān)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(wù)器都完全符合80PLUS能源規(guī)定的要求,那么所節(jié)省的能源足以供應(yīng)超過377000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(guān)和傳導(dǎo)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(lián)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(diào)節(jié)為低開關(guān)損耗,而低端MOSFET對將把RDS(ON)調(diào)節(jié)到最低,以最小化傳導(dǎo)損耗。

                                         

由分立的驅(qū)動器和MOSFET實現(xiàn)的多相VRMVCORE方案的典型峰值效率是90%,出現(xiàn)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(shè)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(chǎn)品的開關(guān)特性(開關(guān)速度),他們實施了先進的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低了柵極電荷(Qg)效應(yīng)。其次是增加單元密度,也就是說,在大小相同的晶片上,導(dǎo)通電阻顯著降低。RDS(ON)和電流是MOSFET傳導(dǎo)損耗的兩項決定因素,傳導(dǎo)損耗的計算公式很簡單:

Ploss=I2×RDS(ON)傳導(dǎo)損耗Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F開關(guān)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。可以看到,在最近的十年中,單元密度從3200萬單元/平方英寸增加到現(xiàn)在的10億單元/平方英寸。
                                          [page]

MOSFET性能系數(shù)

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

FOM=RDS(ON)×QgRDS(ON)直接與傳導(dǎo)損耗有關(guān),而Qg直接與開關(guān)損耗有關(guān)。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。
                                   

遺憾的是,F(xiàn)OM降低50%并不意味著MOSFET損耗減少50%,因為它們的關(guān)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?zhǔn)?,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(guān)系呢?設(shè)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(nèi)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(dǎo)損耗占主導(dǎo)。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(shù)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顯示了實際的效率圖,數(shù)據(jù)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(jié)果。我們可以看到整個負載電流范圍內(nèi)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(xiàn)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(guān)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(guān)損耗將急劇增加。

大多數(shù)DC/DC變換器的最佳工作頻率是250~300kHz,因為這樣的頻率所產(chǎn)生的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)生顯著的效果。
要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉