用于桌上型电脑和服务器中DC-DC变换器的20V MOSFETs

用于桌上型电脑和服务器中DC-DC变换器的20V MOSFETs

     摘要：分布式电源工程师的挑战是要设计一个具有改良的瞬态响应的快速转换DC-DC变换器，它另一方面也能维持或者提高功效。由于紧密的热封装对设备操作可靠性和最小损失的需求，这种设计必须得以实现。此文讨论取代桌上型电脑和服务器中更昂贵的30V MOSFETs，用于经济设计的高功效DC-DC变换器的20V MOSFETs的用途。
    
     I. 引言
    
     计算机建立世界上最具竞争的和迅速发展的市场之一。世界范围的PC出货量在2001年几乎达到1.3亿台，而且到2004年有望达到2亿多台，将比任何其他应用消耗更多的电子组件。随着PC市场的成长继续受到典型特征，数据存贮容量和改良的用户关系的驱使，新的sub-$1000 PC市场正在成长，使成本效率比以前更重要。同时，随着从Intel或AMD引进新的更快GHz级别的处理器用于桌上型电脑和服务器电脑，就需要更高频率的DC-DC变换器来适应新的处理器需要的瞬态响应。分布式电源工程师的挑战是要设计具有快速瞬态响应的有效的开关式DC-DC变换器。本文的讨论包括同步降压电流的MOSFET选择和不同于当前商业方案的导通电路的功效与热性能估值实例。新的20V MOSFET的耐用性和可靠性也会涉及到。
    
     II. 考谅DC-DC降压变换器中的电源损失
    
     来自于Intel和AMD的最近的CPU电压-电阻规格要求负载电流回围速度为400A/ms，且峰值电流超过100A。CPU核心电源电压必须维持在它的指定容量范围内，甚至当处理器在单一时钟周期内执行从低电流“睡眠模式”到高电流“完成模式”的电流负载上升时。为了完成快速瞬态响应电流，设计者趋于提高操作频率。维持或者提高电源功效，同时提高频率是一项艰巨的任务，必须小心翼翼地完成。同步降压变换器中考谅的电源损失是设计高性能DC-DC变换器必须的一步。

    
     桌上型电源管理系统使用分布式架构。AC-DC电源被用于变换AC线电压（85-265V）降为12VDC 。此12V校准DC电压然后被变换降为CPU需要使用的12V输入电压，sub 2- volt输出的同步降压变换器。
    
     单相或多相降压变换器的使用依赖于必需的电流等级。图1展示同步降压变换器，这里Q1是控制FET，Q2是同步FET。如图2所示，MOSFETs功率总数为降压变换器中功率损失的一半以上——应用中一个重要的事实是依赖于功效。更深的检查之后，损失能被分为两个FETs，即控制（Q1）和同步（Q2），然后用以下近似公式得出：
    
     P loss Q1 =（传导部分）+（转换部分）+（门驱动部分）+（输出电容部分）
    
     P loss Q2=（传导部分）+（门驱动部分）+（输出电容部分）+（体二极管反相恢复损失部分）
    
     Q1影响转换速度，而且同样的，强加临界值以最小化转换电荷Qsw和门阻抗Rg，同时维持合理的导通阻抗RDS(on)。理想的情况是当转换损失和传导损失大约相等，得到相等的RDS(on)和Qsw时，最优化功效被最优实现。
    
     同步FET中的损失Q2被传导损失控制。因而RDS(on)是同步FET的最重要的参数。在实践中，RDS(on)越低则功效越好，但是这种典型情况产生于高成本。然而，由于转换频率接近1MHz，我们需要留意驱动器中消耗的功率。因而，同步FET的低门电荷总量Qg显示出引人注目的优势。
    
     III. MOSFET的选择
    
     为了检查低电压MOSFET技术，功效测量被制造在Intel的DB850GB上的双相同步降压变换器里，此底板是更新的商用奔4底板之一。这个DC-DC变换器设计具有12V输入和40A，1.7V输出。降压变换器被设计利用同步FET插孔里的两个D-Pak 30V装置和控制FET插孔里的D2Pak单一25V器件。做了大量测试来比较使用同样硅技术的20V MOSFETs和30V MOSFETs，也有商用30V MOSFETs。MOSFETs的规格如表1所示：
    
     由于控制MOSFET Q1习惯于通过调整它的工作周期校准输出电压，它应该能够加速转换且有低电荷参数。从表1可以看出，IRFR3704被设计利用超级平面技术，适应控制FET插孔的需求。类似的，超级平面处理过去惯于设计适合同步FET插孔的低RDS(on) 的IRFR3711。导通电路比较通过以下MOSFETs的联合得出，验证以上分析：
    
     1. 当前可比的方案
     2. IRFR3707 和IRLR8103V
     3. IRFR3707和IRFR3711
     4. IRFR3704和IRFR3711
     5. IRFR3704和IRFR3704
    
     图3所示为功效曲线。可比的几对控制和同步MOSFETs的仔细选择引人注目的提高变换器功效。
    
     用一对30V器件取代最初的器件，使用超级平面技术，增强功效近30%。典型的5%增益能用有较低RDS(on)的20V器件取代30V同步FET实现。用20V MOSFET取代30V控制MOSFET额外增强功效近0.8%。同在所有插孔里的IRFR3704结合被包括在内，因为设计者有时宁愿使用同样的MOSFET作为控制FET和同步FET。这就确定最优性能的获得：利用IRFR3704作为控制FET，利用两个IRFR3711作为同步FET，比电路中最初的器件以220kHz完成功效改善近4%以上。
    
     功效改进对较高的转换频率更具重要意义。以下图4展示了这些几乎以双倍转换频率（410 KHz vs. 220 KHz）的同样的MOSFET结合。应该注意到的是20V器件的功效仍增加了近1.5%，而当前普遍使用的30V器件的热量脱离控制。
    
     IV. 热量考虑
    
     要得到较高的操作频率，就得改善瞬态响应，使紧密占位面积里能够有高电流方案。由于电源大小减小，热量管理变得逐渐困难，比如更少量和更少面积消散多种组件产生的热量。由于被动地缩小尺寸，DC-DC变换器里大多数功率损失产生在使它们成为主要功率损失的功率半导体内。增强的硅功效能改善变换器的性能，同时减少方案占位面积。例如，一个带有更有效的硅的D-Pak需要PCB板上更小的铜垫面积，以担任热量接收的任务，然而减小了面板空间。
    
     以上提到的每一个器件对在220kHz或440kHz的2相DC-DC变换器里以40A的最大电流运行。最好的执行器件是IRFR3704和IRFR3711的联合。
    
     图5展示的是220kHz的红外摄像机照片，是一对20V器件，而图6是最初的MOSFETs。
    
     可以看出，当使用20V器件代替普遍利用的30V器件时，接合点温度能实现12°C。这能有益于改进功效和延长寿命，因为面板温度被降低了。
    
     V. 20V MOSFET技术的可靠性
    
     当12V总线被使用时，20V MOSFETs提供必需的击穿电压。然而当同步FET Q2被关闭时，由于源电压漏失迅速升高，一些环形被观察到能得到上面所说的12V。比较VDS和VGS波形以监控使用20V MOSFET和使用30V MOSFET时的环形。测量值以40A的满负载。图7展示同步FET IRFR3711和作为控制FET的IRFR3704的VDS和VGS波形。图8展示最初使用的可比的30V器件的波形。比较图7和8中的VDS波形，我们可以看到没有增强的环形和最大电压大约15V，是很好的适合IRFR3711的20V击穿电压范围内。高端控制FET将不会得到高于12V的5-10%的电压，很好的处于MOSFET反相区能力范围内。因而新的20V MOSFET对能够在桌上型CPU电源中可靠使用。
    
    
     我们新的20V MOSFETs使用非常耐用的超级平面处理制造而成。这种新的处理提供比老的单元拓扑高得多的耐用度。新的方法通过最小化N+源下的寄生基极电阻Rb，带来寄生场效应管对不适当的打开的免疫性，也保证源对P-极总是不够的。同沟式拓扑与常规的单元结构相比，这意味着更高级的雪崩。例如，IRFR3704的单一脉冲雪崩等级是26mJ，而可比的25V控制FET的是60mJ。
    
     20V门级也有益于耐用度设计。新的条纹平面与单元结构这两种技术的比较如图9所示，也包括功率MOSFET的横截面，举例说明固有的寄生场效应管。
    
     新的平面技术的出色几何学有益于增强每单元面积的通道宽度(optimized W/L)，这就保证较低RDS(on)值的可实现性。这种几何学同单元几何学相比，也带来较低门电荷，也使得临界值提高，象操作频率上升一样。
    
    
     VI. 结论
    
     改进的功效和更好的热量是所有电源设计者的目标。选择最好的MOSFET是一项非常重要的任务，还要与一些新的可利用的器件以及成本/性能方面的权衡。我们开发了优质的额定20V组件，比普遍使用的组件在旗舰底板设计上产生更高的功效和更低的温度。基于我们的高级新式处理的新的20V MOSFETs在更高的电流容性之间递送出色的性能。结合额外的成本节省，这些器件由于价格灵活，用于计算机的DC-DC变换器的性能受到驱策，是当前使用的30V器件的出色的交替。