提升轻负载和高频率下DC/DC的转换效率

2008-07-29 15:16:40来源: EDN-CHINA 关键字:MOSFET  体二极管  反向恢复  DC  正向压降  死区时间  电荷理论  肖特基二极

  为帮助提高DC/DC在更轻负载和更高频率下的转换效率,可以将肖特基二极管集成到MOSFET芯片中,构成单个封装,以降低BUCK变换器电路低压侧开关的功耗。此外,如果将这两种元件结合到一个单块芯片上,则MOSFET的额定RDS(on)更低,并且能节省空间。负载点(POL)、直流-直流转换以及稳压模块都是计算机和固定电信市场功率管理应用的构成部分,这些市场正促进着对能提高效率且性能更高的MOSFET的需求。

  达到这一目标的一个特别有益的方法就是改善轻负载下的效率。这一点很重要,原因是大多数服务器和笔记本电脑在大多数开机时间内都不是处于最大负载,就是说,一般情况下对CPU要求都不高,吸入电流比系统能够承受的最大IOUT 要小得多。对服务器系统,最大电流水平可能大于120 A,但在正常工作情况下,吸入电流降到20 A~40 A范围。对于一、两个服务器,这种低效率工作或许不怎么影响用户的电费,但如果一个大型公司的所有服务器或者一个服务器仓内的所有服务器加起来,影响可能相当大。随着能源成本的上升,与以往相比,用效率更高的MOSFET降低功耗正在引起更大的兴趣。

  提高效率的第二个方面是针对500 kHz及以上频率下的功耗。随着POL变换器尺寸的缩小以及超便携个人电脑(UMPC)使用更加广泛,增加切换频率将成为一种最大程度地减小功率转换电路尺寸的策略。但如果直流-直流元件(如MOSFET)没有相应优化,在更高频率下,效率水平可能显著降低。设计为应对250 kHz 典型母板频率的MOSFET用于这类POL应用可能并不理想。因此,频率增加后,降低整个负载范围内的功耗变得比以前重要得多。

  器件性能提高

  肖特基二极管与MOSFET集成后,主要在两方面提高了器件的性能。第一种是,与MOSFET体二极管相比,增加的是肖特基二极管,因此总反向恢复电荷(QRR)减少了。在BUCK变换器电路中,在高压侧MOSFET导通时,一反向恢复电流从输入源(VIN)流过高压侧MOSFET,也流过低压侧MOSFET体二极管和集成的肖特基二极管。这一过程中,低压侧MOSFET的功率损耗为VIN ? QRR ? fSW。因此,QRR的减少相应降低了功耗,降低的程度与切换频率的增加成比例。

  第二种性能提高是,肖特基二极管的正向压降(VF)比MOSFET本征体二极管的压降要小得多。集成了肖特基二极管后,器件的典型正向压降为0.44 V,与之相比,标准MOSFET的则为0.72 V,降低了38 %。这样,对BUCK 变换器应用,MOSFET在死区时间(即两个二极管都截止与主电感电流流过肖特基二极管而非MOSFET体二极管之间的间隔)截止状态的功耗(P = VI)显著降低。

  体二极管和肖特基二极管之间电流分布分析

  在小电流工作期间,肖特基二极管能够应对系统中的总电感电流,避免MOSFET体二极管导通。因此,体二极管不会引起反向恢复损耗,而肖特基二极管的反向恢复电荷理论上为零,产生的损耗很小。大电流工作时,肖特基二极管处理大部分电感电流,但不能处理全部电感电流,不能处理的电流部分流过MOSFET体二极管。集成器件的额定QRR不为零的原因就在于此。

  下面两个曲线以TJ=25°C为例说明出现的情况。图1是标准沟道式MOSFET体二极管的VF 特性,3 A时VF 为0.72 V。图2是带集成肖特基二极管的MOSFET 的VF 特性,3 A时VF 为0.49 V,来自肖特基二极管的VF。这就是为什么轻负载下效率有提高。不过,电流一旦增加到10 A,VF则变为0.72 V,与这时为导通状态的MOSFET体二极管的类似。在10 A情况下,可以估算出大约有7 A电流流过肖特基二极管,有3 A电流流过体二极管。因此,在重负载下,只要大部分电流流过肖特基二极管,效率水平就会提高。

  图1 :标准沟道MOSFET的VF 特性

  图2:带集成肖特基二极管的MOSFET 的VF特性

  图3:300 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲线

  图4 :550 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲线。

  应用性能得到增强

  考虑带SI4642DY SkyFET的简单BUCK变换器应用的效率提高,SI4642DY SkyFET是一种集成了肖特基二极管用作低压侧开关的30V MOSFET。在VIN 为19 V,VOUT 为1.3 V时,与标准笔记本电脑电源拓扑类似,用一个标准高压侧MOSFET来估算低压侧开关的性能。估算中,使用了一个高压侧MOSFET和两个低压侧MOSFET。两个器件都加上4.5 V的栅极驱动电压。与业界标准沟道MOSFET相比,集成器件在轻负载下性能更好。当频率从300 KHz增加到550 KHz时,这一提高更大。在300 KHz下,性能提高约2 %,在550 KHz下,性能提高约4 %。两种MOSFET的额定rDS(on)相似。

  因此,SI4642DY SkyFET技术利用了MOSFET芯片上集成肖特基二极管的优点来平衡MOSFET本征体二极管的局限。最终结果是,系统(诸如服务器、笔记本以及VRM)的功耗得以降低。

 

关键字:MOSFET  体二极管  反向恢复  DC  正向压降  死区时间  电荷理论  肖特基二极

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0729/article_965.html
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