- 同步Buck變換器上部功率MOSFET和下部功率MOSFET的工作特點(diǎn)
- 選取上部和下部功率MOSFET的設(shè)計原則
- 極低的漏柵極米勒電容的應(yīng)用
- 超低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET的應(yīng)用
- 用SGT技術(shù)減小開關(guān)過程中米勒平臺的持續(xù)的時間，降低開關(guān)損耗
- 選取Rds(on)盡量小的MOSFET
- 使用新工藝和新材料
目前，通信系統(tǒng)要求越來越快的處理速度。其內(nèi)部專用集成芯片，處理器單元等電路所消耗的電流也越來越大；同時，為了減小系統(tǒng)的體積和尺寸，內(nèi)部的低壓大電流的DC/DC變換器不斷向高頻、高密度方向發(fā)展。頻率的提高帶來系統(tǒng)變換效率的降低，另外，由于世界范圍能源危機(jī)和環(huán)境污染提出了對節(jié)能減排的要求，因此，基于高頻的變換器必須采用新型的器件，從而可以保證系統(tǒng)既工作在高頻狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)小尺寸、小體積，又整體的提高系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。效率的整體提高進(jìn)一步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量，提高系統(tǒng)的可靠性。通信系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)板上使用了大量的Buck變換器，本文將針對這種變換器進(jìn)行詳細(xì)的討論。
Buck變換器工作特點(diǎn)在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)板上，通常前級是從-48V通過隔離電源或電源模塊得到12V或24V輸出，也有采用3.3V或5V的輸出，目前基于ATCA的通信系統(tǒng)大多采用12V的中間母線架構(gòu)，然后再由Buck變換器將12V向下轉(zhuǎn)換為3.3V、5V、2.5V、1.8V、1.25V等多種不同的電壓。常規(guī)的Buck變換器續(xù)流管采用肖特基二級管，而同步的Buck變換器下部的續(xù)流管卻使用功率MOSFET，由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻小，導(dǎo)通也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于肖特基二級管的正向壓降，因此效率更高。因此，對于低壓大電流的輸出，通常采用同步的Buck變換器得到較高的效率。
對于Buck變換器，有以下的公式：
(a)上管的開關(guān)波形 (b)下管的開關(guān)波形
圖1 Buck變換器MOSFET管的工作波形
上部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中，產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗，同時也存在因?yàn)镸OSFET導(dǎo)通電阻Rds(on)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通平均損耗與占空比和導(dǎo)通電阻Rds(on)成正比，對于基于ATCA的通信系統(tǒng)。輸入電壓為12V，輸入輸出的電壓差大，占空比小，因此導(dǎo)通損耗相對較小，而開關(guān)損耗占較大的比例。開關(guān)損耗主要與開關(guān)頻率及MOSFET在開關(guān)過程中持續(xù)的時間成正比。開關(guān)持續(xù)的時間與MOSFET的漏柵極的米勒電容直接相關(guān)。米勒電容小，開關(guān)持續(xù)的時間短，因此開關(guān)損耗降低。因此對于上部MOSFET管的功率損耗必須同時考慮到開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。對于MOSFET，通常為了降低導(dǎo)通電阻Rds(on)，就要采用更大面積的晶圓，這樣就可以得到更多的小單元，多個小單元并聯(lián)后總的導(dǎo)通電阻Rds(on)就降低，但同時也會增加漏極和柵極的相對面積，也就增大了漏極和柵極米勒電容。
從波形可以看到，對于下部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中，沒有產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是一個自然的0電壓的關(guān)斷，因?yàn)樵贛OSFET的漏極和源極有一個寄生的電容，由于電容的電壓不能突變，因此在關(guān)斷的瞬態(tài)過程中，漏極和源極電壓幾乎為0，這樣，在關(guān)斷的過程中，電壓與電流的乘積也就是關(guān)斷的功耗為0。所以對于MOSFET，要想實(shí)現(xiàn)0電壓的開關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)其0電壓開通。
通常同步的Buck變換器為了防止上下管的直通，上下管有一個死區(qū)的時間，在死區(qū)的時間內(nèi)，上下管均保證關(guān)斷。那么在上管關(guān)斷后，由于輸出電感的電流不能突變，必須維持原來的方向流動，因此下部功率MOSFET內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通，寄生二極管導(dǎo)通后下部MOSFET的漏極和源極的電壓為二極管的正向壓降，幾乎為0，所以在寄生二極管導(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通，開通損耗幾乎為0。這樣下管是一個0電壓的開關(guān)，開關(guān)損耗幾乎為0。因此在下管中，主要是由導(dǎo)通電阻Rds(on)形成的導(dǎo)通損耗。下管的選取主要考慮盡量用低的導(dǎo)通電阻Rds(on)。
此外，為了減小在死區(qū)時間內(nèi)由于體內(nèi)寄生二極管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來的功耗，通常會并聯(lián)一個正向壓降低、反向恢復(fù)時間短的肖特基二極管。過去主要是下管MOSFET的外部并聯(lián)一個肖特基二極管，現(xiàn)在通常將肖特基二極管集成在下部MOSFET管內(nèi)部。起初，是將一個單獨(dú)的肖特基二極管和一個MOSFET封裝在一起，后來是將它們做在一個晶圓上。將一個晶圓分成兩個區(qū)，一個區(qū)做MOSFET，一個區(qū)做肖特基二極管。
由于二極管具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不太容易，在一個晶圓上分成兩個區(qū)做MOSFET和肖特基二極管，那么肖特基二極管在與MOSFET交界的區(qū)域，溫度高，離MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度低。當(dāng)肖特基二極管溫度高時，流過更大的電流，所以與MOSFET交界的肖特基二極管區(qū)域由于溫度高，流過的電流更大，溫度進(jìn)一步上升，就可能產(chǎn)生局部的損壞。目前，通常將特基二極管的單元做到MOSFET的單元里面，這樣就可能得到更好的熱平衡，提高器件的可靠性。
適用于上管的SGT新型功率MOSFET通常，對于MOSFET，導(dǎo)通電阻 Rds(on)和漏極柵極的米勒電容是一個相互矛盾的參數(shù)，除非采用新的技術(shù)，才能解決這個問題。對于同樣面積的晶圓，如果要減小米勒電容，就必須想方法減小漏極和柵極相對接觸的面積，最為直觀的方法就是對柵極采用一定的屏蔽技術(shù)，從而減小漏極和柵極的相對電容。圖2就是采用AOS的專利技術(shù)SGT所制作的新型的具有極低漏極柵極米勒電容的功率MOSFET。
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注意到圖2中，除了柵極結(jié)構(gòu)，其他的部分就是標(biāo)準(zhǔn)的采用Trench工藝的MOSFET。柵極被分割成上下兩個部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起來，下部分在內(nèi)部和上部分的柵極相連，而柵極的屏蔽層被連接到源極，從而減小漏極柵極米勒電容。用這種技術(shù)設(shè)計的MOSFET如AOL1464，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為6.2mΩ，而其Crss只有20pF，極大地減小了開關(guān)過程中米勒平臺的持續(xù)的時間，降低了開關(guān)損耗。AOL1430，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為2.5mΩ，而其Crss為50pF。圖3中，下管采用AOS的AOL1428，上管采用AOL1430和其他廠家目前Crss最低的器件的效率曲線，可見，上管采用AOL1430具有非常高的效率。注意：輸入電壓12V，輸出電壓 1.7V，開關(guān)頻率300kHz。
圖2采用SGT新型功率MOSFET結(jié)構(gòu)
圖3 SGT功率MOSFET效率
適用于下管的超低Rds(on)功率MOSFET下管主要是導(dǎo)通損耗，因此要盡量使用導(dǎo)通電阻Rds(on)低的功率MOSFET。目前，主要通過改進(jìn)工藝和使用新的材料，在同樣面積的晶圓上，降低每個單元的電阻，同時盡可能的設(shè)計出更多的單元，提高單元的密度，以形成低的導(dǎo)通電阻Rds(on)。
圖4中，每個MOSFET單元，在相同額定的Vds電壓條件下，導(dǎo)通電阻相同，其具有更高的單元密度，在水平和垂直兩個方向都盡可能縮小了尺寸。AOS的AON 6702采用DFN的封裝，其Vds為30V，Vgs在10V條件下Rds(on)為1.9mΩ，同時內(nèi)部集成的具有優(yōu)異特性的肖特基二極管。
(a)原來的單元結(jié)構(gòu) (b)新的單元結(jié)構(gòu)
圖4高密度的MOSFET單元結(jié)構(gòu)
結(jié)論
（1）同步Buck變換器的上管同時具有開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，在輸入輸出壓差大的應(yīng)用中，開關(guān)損耗為主。導(dǎo)通損耗與MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)成正比，開關(guān)損耗與漏極柵極米勒電容相關(guān)。
（2）采用SGT技術(shù)的功率MOSFET具有超低的漏極柵極米勒電容，從而減小了開關(guān)過程中米勒平臺的持續(xù)的時間，降低了開關(guān)損耗。
（3）同步Buck變換器的下管只有導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗幾乎為0。要選取 Rds(on)盡量小的MOSFET。使用新工藝和新材料，可以提高晶圓上單元的晶胞密度，降低單元的電阻密度。
