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功率半導體獲得如此多的關注實屬罕見，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采用環保元件，還為電子產業帶來了艱巨的挑戰：即節能和提高系統級效率。基于此，功率硅產品如功率MOSFET 正在市場上炙手可熱，因為對任何低壓轉換而言，絕大部分在線損耗都是由這些器件產生的，而這直接關系到系統的總體效率。 由于業界的巨大努力與關注，計算和消費電子產品在提高功效和降低功耗上已取得驚人的進步。一直以來，業界焦點都放在 AC-DC “銀盒子”轉換上面。然而，隨著80 PLUS、Climate Savers 和能源之星 (EnergyStar 5) 等法規的出臺，設計人員開始認識到 AC-DC 和 DC-DC 功率系統都需要進一步改進。AC-DC 系統的平均效率一般在 65% 左右，而 DC-DC 系統則為 80%，因此前者的改進空間較大，對其更為關注也是不難理解的。目前正是重新審視 DC-DC 系統，尋找能提升效率的創新方法的時候了。 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、成本及性能之間進行權衡。為此，人們一直在就如何評估開關電路以及其所采用的功率晶體管器件展開研究，同時也在 MOSFET 器件和先進的熱封裝技術方面取得進展。 EnergyStar 和 80 PLUS 法規的出臺對各種消費電子產品，尤其是計算產品意味著有了規范要求。延長電池壽命也是當今便攜設備用戶的一個呼聲。因此，延長電池壽命、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的改進。例如，已有 50 萬臺服務器完全達到 80 PLUS 能效要求，一年節省的能量足以供應 377,000 多戶歐洲家庭所需。 1 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的開關損耗和傳導損耗。 圖1所示為桌面計算機典型的單相降壓調節 (VRM)。在滿載時一般將產生高達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 (或者說高位) 就得有一個MOSFET；而在同步側 (或者說低位) 就有兩個并聯的MOSFET。從12V降到1.2V意味著有10% 的占空比，只有這樣，高位MOSFET才會實現低開關損耗，而低位的一對MOSFET才會有最低的導通電阻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時一般為90%，而當電流為滿負載30A時效率降到85%。這10%~15% 的系統能效損耗直接正比于功率和熱耗散。直接來說，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，所有的桌面計算機都浪費了15% 的功率。 2 MOSFET硅技術的演進 MOSFET廠商一直主要在兩個方面優化其半導體開發。首先是改進新產品的開關特性 (開關速度)，采用先進的柵極結構，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，狀態電阻 (R) 顯著降低。按功率的數學定義，導通RDS(ON) 和電流是決定MOSFET傳導損耗的兩個因素。 從上面的公式可看出，如果改進MOSFET器件，降低導通電阻RDS(ON和縮短開關躍遷時間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情況。圖中，每個柱條代表一次新的工藝變革。從此圖可看出，在最近10年，單元密度已經從每平方英寸3200萬發展為當今的每平方英寸10億。 圖2 單元密度的演進 [圖中文字：單元密度的發展趨勢；技術發布，單元密度數值（百萬單元數量/平方英寸） 在業界，有一個普適的性能測量始終是基準，即品質因數 (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) 直接關系到傳導損耗，QG直接關系到開關損耗，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工藝技術的演進。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。 圖3 品質因數的提高 不幸的是，FOM降低50%，并不能使MOSFET的損耗也降低50%，因為兩者并非線性關系。不過，只要仔細選擇器件和優化，當今的MOSFET產品仍然可顯著降低系統的功耗。 3 系統級效率 功率MOSFET是DC-DC功率電路損耗的罪魁，而若采用先進的器件，這種損耗可大幅降低。不過你一定會問，這與系統整體效率有何關系？ 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運作范圍內提高系統效率的方法。在滿負載情況下，一臺計算機啟動或在重處理序列，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間都處于待機或睡眠狀態。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，柵極驅動和開關損耗是主要因素。 圖4所示為一部臺式機VRM的真實效率圖。四條曲線是采用兩種不同MOSFET器件在300 KHz 和550KHz的開關頻率下的結果。圖中給出了整個負載電流范圍的效率。 圖4 VR11.1 VCORE 的效率比較 我們著重討論上面的兩條曲線 (300KHz時的結果)，在滿負載時 (30A)，兩種不同器件間效率有1.5%的差距。而在負載較小時 (15A)，差距也在1%。即使在更高的開關頻率下 (>500KHz)，系統級效率在負載較小時 (15A) 也是80% 以上，而滿負載時也超過70%。 如果綜合考慮整個負載范圍，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。 反映到實際的產品中，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，就意味著節省了10W。2007年全世界生產了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，通過改善主板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。 4 結語 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境問題帶來全球性的變化。諸如汽車、建筑和IT之類的主體行業領域是構成這種影響的主流，而只要在局部地區進行微小的變化也足以產生顯著的效果。功率器件產業非常重視節能和高能效解決方案。當今的技術可讓我們開發出新的器件，以提高消費電子和計算機產品的系統級效率。 從本文的分析中看出，僅僅選用先進的MOSFET器件就能使典型臺式計算機的能效提高10%。而這樣的產品已經面市，現在需要的是設計人員、制造廠商和消費者共同參與，奉行節能的原則來為世界出一分力。 |
