提升輕負(fù)載和高頻率下DC/DC的轉(zhuǎn)換效率

　　為幫助提高DC/DC在更輕負(fù)載和更高頻率下的轉(zhuǎn)換效率，可以將肖特基二極管集成到MOSFET芯片中，構(gòu)成單個(gè)封裝，以降低BUCK變換器電路低壓側(cè)開關(guān)的功耗。此外，如果將這兩種元件結(jié)合到一個(gè)單塊芯片上，則MOSFET的額定RDS(on)更低，并且能節(jié)省空間。負(fù)載點(diǎn)（POL）、直流-直流轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓模塊都是計(jì)算機(jī)和固定電信市場功率管理應(yīng)用的構(gòu)成部分，這些市場正促進(jìn)著對能提高效率且性能更高的MOSFET的需求。

　　達(dá)到這一目標(biāo)的一個(gè)特別有益的方法就是改善輕負(fù)載下的效率。這一點(diǎn)很重要，原因是大多數(shù)服務(wù)器和筆記本電腦在大多數(shù)開機(jī)時(shí)間內(nèi)都不是處于最大負(fù)載，就是說，一般情況下對CPU要求都不高，吸入電流比系統(tǒng)能夠承受的最大IOUT 要小得多。對服務(wù)器系統(tǒng)，最大電流水平可能大于120 A，但在正常工作情況下，吸入電流降到20 A～40 A范圍。對于一、兩個(gè)服務(wù)器，這種低效率工作或許不怎么影響用戶的電費(fèi)，但如果一個(gè)大型公司的所有服務(wù)器或者一個(gè)服務(wù)器倉內(nèi)的所有服務(wù)器加起來，影響可能相當(dāng)大。隨著能源成本的上升，與以往相比，用效率更高的MOSFET降低功耗正在引起更大的興趣。

　　提高效率的第二個(gè)方面是針對500 kHz及以上頻率下的功耗。隨著POL變換器尺寸的縮小以及超便攜個(gè)人電腦（UMPC）使用更加廣泛，增加切換頻率將成為一種最大程度地減小功率轉(zhuǎn)換電路尺寸的策略。但如果直流-直流元件（如MOSFET）沒有相應(yīng)優(yōu)化，在更高頻率下，效率水平可能顯著降低。設(shè)計(jì)為應(yīng)對250 kHz 典型母板頻率的MOSFET用于這類POL應(yīng)用可能并不理想。因此，頻率增加后，降低整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的功耗變得比以前重要得多。

　　器件性能提高

　　肖特基二極管與MOSFET集成后，主要在兩方面提高了器件的性能。第一種是，與MOSFET體二極管相比，增加的是肖特基二極管，因此總反向恢復(fù)電荷（QRR）減少了。在BUCK變換器電路中，在高壓側(cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，一反向恢復(fù)電流從輸入源（VIN）流過高壓側(cè)MOSFET，也流過低壓側(cè)MOSFET體二極管和集成的肖特基二極管。這一過程中，低壓側(cè)MOSFET的功率損耗為VIN ? QRR ? fSW。因此，QRR的減少相應(yīng)降低了功耗，降低的程度與切換頻率的增加成比例。

　　第二種性能提高是，肖特基二極管的正向壓降（VF）比MOSFET本征體二極管的壓降要小得多。集成了肖特基二極管后，器件的典型正向壓降為0.44 V，與之相比，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的則為0.72 V，降低了38 %。這樣，對BUCK 變換器應(yīng)用，MOSFET在死區(qū)時(shí)間（即兩個(gè)二極管都截止與主電感電流流過肖特基二極管而非MOSFET體二極管之間的間隔）截止?fàn)顟B(tài)的功耗（P = VI）顯著降低。

　　體二極管和肖特基二極管之間電流分布分析

　　在小電流工作期間，肖特基二極管能夠應(yīng)對系統(tǒng)中的總電感電流，避免MOSFET體二極管導(dǎo)通。因此，體二極管不會引起反向恢復(fù)損耗，而肖特基二極管的反向恢復(fù)電荷理論上為零，產(chǎn)生的損耗很小。大電流工作時(shí)，肖特基二極管處理大部分電感電流，但不能處理全部電感電流，不能處理的電流部分流過MOSFET體二極管。集成器件的額定QRR不為零的原因就在于此。

　　下面兩個(gè)曲線以TJ=25°C為例說明出現(xiàn)的情況。圖1是標(biāo)準(zhǔn)溝道式MOSFET體二極管的VF 特性，3 A時(shí)VF 為0.72 V。圖2是帶集成肖特基二極管的MOSFET 的VF 特性，3 A時(shí)VF 為0.49 V，來自肖特基二極管的VF。這就是為什么輕負(fù)載下效率有提高。不過，電流一旦增加到10 A，VF則變?yōu)?.72 V，與這時(shí)為導(dǎo)通狀態(tài)的MOSFET體二極管的類似。在10 A情況下，可以估算出大約有7 A電流流過肖特基二極管，有3 A電流流過體二極管。因此，在重負(fù)載下，只要大部分電流流過肖特基二極管，效率水平就會提高。

　　圖1 ：標(biāo)準(zhǔn)溝道MOSFET的VF 特性

　　圖2：帶集成肖特基二極管的MOSFET 的VF特性

　　圖3:300 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲線

　　圖4 ：550 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲線。

　　應(yīng)用性能得到增強(qiáng)

　　考慮帶SI4642DY SkyFET的簡單BUCK變換器應(yīng)用的效率提高，SI4642DY SkyFET是一種集成了肖特基二極管用作低壓側(cè)開關(guān)的30V MOSFET。在VIN 為19 V，VOUT 為1.3 V時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦電源拓?fù)漕愃疲靡粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)高壓側(cè)MOSFET來估算低壓側(cè)開關(guān)的性能。估算中，使用了一個(gè)高壓側(cè)MOSFET和兩個(gè)低壓側(cè)MOSFET。兩個(gè)器件都加上4.5 V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)溝道MOSFET相比，集成器件在輕負(fù)載下性能更好。當(dāng)頻率從300 KHz增加到550 KHz時(shí)，這一提高更大。在300 KHz下，性能提高約2 %，在550 KHz下，性能提高約4 %。兩種MOSFET的額定rDS(on)相似。

　　因此，SI4642DY SkyFET技術(shù)利用了MOSFET芯片上集成肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)來平衡MOSFET本征體二極管的局限。最終結(jié)果是，系統(tǒng)（諸如服務(wù)器、筆記本以及VRM）的功耗得以降低。