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，并著(zhù)重于同步降壓轉換器電路中所采用的功率MOSFET。文中將討論FET器件 (包括半導體結構、傳導和開(kāi)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：電源轉換；DC-DC；FET；MOSFET

　　功率半導體獲得如此多的關(guān)注實(shí)屬罕見(jiàn)，但即使是小小的半導體也能夠在能效方面做出巨大的貢獻。當前的“綠色”系統趨勢不僅意味著(zhù)采用環(huán)保元件，還為電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了艱巨的挑戰：即節能和提高系統級效率?；诖?，功率硅產(chǎn)品如功率MOSFET 正在市場(chǎng)上炙手可熱，因為對任何低壓轉換而言，絕大部分在線(xiàn)損耗都是由這些器件產(chǎn)生的，而這直接關(guān)系到系統的總體效率。

　　由于業(yè)界的巨大努力與關(guān)注，計算和消費電子產(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”轉換上面。然而，隨著(zhù)80 PLUS、Climate Savers 和能源之星 (EnergyStar 5) 等法規的出臺，設計人員開(kāi)始認識到 AC-DC 和 DC-DC 功率系統都需要進(jìn)一步改進(jìn)。AC-DC 系統的平均效率一般在 65% 左右，而 DC-DC 系統則為 80%，因此前者的改進(jìn)空間較大，對其更為關(guān)注也是不難理解的。目前正是重新審視 DC-DC 系統，尋找能提升效率的創(chuàng )新方法的時(shí)候了。

　　在計算、通信和消費應用系統中，DC-DC 系統負責轉換、管理和分配能量，為圖形卡、處理器芯片和內存等器件供電。隨著(zhù)對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。計算和消費電子產(chǎn)品的設計人員不得不在功率預算和效率、成本及性能之間進(jìn)行權衡。為此，人們一直在就如何評估開(kāi)關(guān)電路以及其所采用的功率晶體管器件展開(kāi)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 法規的出臺對各種消費電子產(chǎn)品，尤其是計算產(chǎn)品意味著(zhù)有了規范要求。延長(cháng)電池壽命也是當今便攜設備用戶(hù)的一個(gè)呼聲。因此，延長(cháng)電池壽命、減小波形因數，以及新的政府法令要求，都在促使設計人員仔細選擇電源部件，尤其是板上同步降壓轉換器。這使新平臺在功率密度、效率和熱性能上有了顯著(zhù)的改進(jìn)。例如，已有 50 萬(wàn)臺服務(wù)器完全達到 80 PLUS 能效要求，一年節省的能量足以供應 377,000 多戶(hù)歐洲家庭所需。

電路和損耗

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

　　圖1所示為桌面計算機典型的單相降壓調節 (VRM)。在滿(mǎn)載時(shí)一般將產(chǎn)生高達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 (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(zhù)有10% 的占空比，只有這樣，高位MOSFET才會(huì )實(shí)現低開(kāi)關(guān)損耗，而低位的一對MOSFET才會(huì )有最低的導通電阻RDS(ON)，從而最大限度地降低傳導損耗。

圖1  臺式電腦典型的單相VRM

　　在采用分立元件驅動(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%，而當電流為滿(mǎn)負載30A時(shí)效率降到85%。這10%~15% 的系統能效損耗直接正比于功率和熱耗散。直接來(lái)說(shuō)，所有功率系統設計人員都在努力使損耗和熱耗散達到最小。就當今的設計而言，VRM系統一般輸出功率在100W，運行效率為85%，這就是說(shuō)，所有的桌面計算機都浪費了15% 的功率。

MOSFET硅技術(shù)的演進(jìn)

　　MOSFET廠(chǎng)商一直主要在兩個(gè)方面優(yōu)化其半導體開(kāi)發(fā)。首先是改進(jìn)新產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)特性 (開(kāi)關(guān)速度)，采用先進(jìn)的柵極結構，從而減弱器件的柵極電荷 (Qg) 效應。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(zhù)降低。按功率的數學(xué)定義，導通RDS(ON) 和電流是決定MOSFET傳導損耗的兩個(gè)因素。

　　從上面的公式可看出，如果改進(jìn)MOSFET器件，降低導通電阻RDS(ON和縮短開(kāi)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；技術(shù)發(fā)布，單元密度數值（百萬(wàn)單元數量/平方英寸）

　　在業(yè)界，有一個(gè)普適的性能測量始終是基準，即品質(zhì)因數 (FOM)，而且基本上是半導體硅片導通電阻 (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)系到傳導損耗，QG直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)損耗，因此，FOM越低，器件性能就越好。

　　圖3所示為飛兆半導體的低壓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，FOM降低50%，并不能使MOSFET的損耗也降低50%，因為兩者并非線(xiàn)性關(guān)系。不過(guò)，只要仔細選擇器件和優(yōu)化，當今的MOSFET產(chǎn)品仍然可顯著(zhù)降低系統的功耗。

圖3 品質(zhì)因數的提高

系統級效率

　　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)，這與系統整體效率有何關(guān)系？

　　系統級設計人員正在尋求在輕、中等和重負載情況下以及在設備的整個(gè)運作范圍內提高系統效率的方法。在滿(mǎn)負載情況下，一臺計算機啟動(dòng)或在重處理序列，功率系統由傳導損耗主導。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PC在其運作壽命的大部分時(shí)間都處于待機或睡眠狀態(tài)。因此，功率系統必須考慮輕負載效率管理，在低輸出電流的情況下，如低于10A，柵極驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗是主要因素。

圖4  VR11.1 VCORE 的效率比較

　　圖4所示為一部臺式機VRM的真實(shí)效率圖。四條曲線(xiàn)是采用兩種不同MOSFET器件在300 KHz 和550KHz的開(kāi)關(guān)頻率下的結果。圖中給出了整個(gè)負載電流范圍的效率。

　　我們著(zhù)重討論上面的兩條曲線(xiàn) (300KHz時(shí)的結果)，在滿(mǎn)負載時(shí) (30A)，兩種不同器件間效率有1.5%的差距。而在負載較小時(shí) (15A)，差距也在1%。即使在更高的開(kāi)關(guān)頻率下 (>500KHz)，系統級效率在負載較小時(shí) (15A) 也是80% 以上，而滿(mǎn)負載時(shí)也超過(guò)70%。

　　如果綜合考慮整個(gè)負載范圍，可計算出平均功率損耗減少達到8-10%。這樣的節能效果還僅僅是優(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臺式機DC-DC VRM系統能在電路中節省10% 的能量，就意味著(zhù)節省了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，總計就能節省1700兆瓦的電力。

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

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

結語(yǔ)

　　雖然節省每一毫瓦的能量并不起眼，但這種節省卻給當今的環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)全球性的變化。諸如汽車(chē)、建筑和IT之類(lèi)的主體行業(yè)領(lǐng)域是構成這種影響的主流，而只要在局部地區進(jìn)行微小的變化也足以產(chǎn)生顯著(zhù)的效果。功率器件產(chǎn)業(yè)非常重視節能和高能效解決方案。當今的技術(shù)可讓我們開(kāi)發(fā)出新的器件，以提高消費電子和計算機產(chǎn)品的系統級效率。

　　從本文的分析中看出，僅僅選用先進(jìn)的MOSFET器件就能使典型臺式計算機的能效提高10%。而這樣的產(chǎn)品已經(jīng)面市，現在需要的是設計人員、制造廠(chǎng)商和消費者共同參與，奉行節能的原則來(lái)為世界出一分力。