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采用经济的20V MOSFET技术提高台式计算机和服务器的DC-DC变换器效率

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本文讨论如何使用20V MOSFET来代替30V MOSFET，以经济地实现台式计算机和服务器的高效率DC-DC变换器设计，并克服变换器产生的尖峰电压。

新的功能部件、更大的数据存储容量和增强的用户友好界面是不断推动PC市场增长的动力。英特尔和AMD公司推出的用于台式计算机和服务器的、速度更快的GHz级处理器需要瞬态响应更快的大电流DC-DC变换器。同时，随着低于1,000美元的PC市场的增长，低成本变得比以往任何时候更加重要。

分布式供电工程师所面临的挑战在于：必须在紧凑的空间和最低的成本条件下设计具有高效率的散热和电器特性的DC-DC变换器。本文讨论如何使用IR公司推出的20V MOSFET来代替30V MOSFET，以经济地实现台式计算机和服务器的高效率DC-DC变换器设计。

DC-DC降压变换器中的功率损耗

英特尔和AMD公司最新的电压调节规范要求400A/μs的负载电流转换率和100A以上的峰值电流。这就是说，即使处理器在单个时钟周期内执行从低电流的“睡眠模式”到高电流的“激活模式”的电流加载操作时，CPU的内核供电电压也必须保持在规定的容差范围内。为了获得具有快速瞬态响应的电路，提高转换频率是一种解决方案。要在提高频率的同时保持或增加电源供应效率则是一件需要精心设计的艰巨任务。要设计高性能的DC-DC变换器，必须首先弄清楚同步降压变换器中的功率损耗。

台式机电源管理系统采用一种分布式的结构。它使用AC-DC转换器将交流线电压(85到265V)转换为12V直流电。然后，这个12V经过调节的直流电压通过一个输入为12V、输出为2V的同步降压变换器转换为CPU所需的电压。根据所需的电流大小，可以使用单相或多相降压变换器。

在降压变换器的功率损耗中，功率MOSFET占了一半以上。在对变换效率有着严格要求的应用场合中，这一点非常重要。进一步的分析表明，可以将功率损耗分解到两个FET(场效应管)上，即控制FET(Q1)和同步FET(Q2)，然后使用下面的近似方程式来进行计算：

P_{loss Q1}=((I_rms)²×R_(DS(on)))+(I ×Q_sw/I_g×V_in×f)+(Q_g×V_g×f)+(Q_oss/2×V_in×f) (1)

P_{loss Q1}=(传导)+(切换)+(门驱动)+(输出电容)

P_{loss Q2}=((I_rms)²×R_(DS(on)))+ (Q_g×V_g×f)+(Q_oss/2×V_in×f)+ (Q_rr×V_in×f) (2)

P_{loss Q2}=(传导)+(门驱动)+(输出电容)+(体二极管反向恢复损耗)

Q1影响切换的速度，在保持一个适当导通电阻的条件下，将切换电荷Q_sw和门电阻R_g降到最低是很重要的要求。理想情况下，如果对R_DS(on)和Q_sw给予同样的重视程度，当切换损耗和传导损耗近似相等时，可以得到最佳的效率。图1：不同器件组合在220V工作频率下的效率。

在Q2中的损耗主要是传导损耗，因此R_DS(on)是同步FET最重要的参数。事实上，R_DS(on)越小效率越高，但这样也会使得成本更高。不过，当切换速率达到1MHz时，消耗在驱动器上的功率就应当引起注意。减小同步FET的总门电荷Q_g有显著好处。

选择MOSFET

为了考察低电压MOSFET技术，研究人员对英特尔DB850GB这种新近推出的奔4主板上的两相同步降压变换器进行了效率测试。这种DC-DC变换器的设计具有一个12V输入和一个40A、1.7V输出。这种降压变换器在同步FET位置使用两个D₂Pak 30V器件，在控制FET位置使用一个D₂Pak 25V器件。研究人员执行了许多测试，以便将使用同一种硅工艺的20V MOSFET与30V MOSFET进行比较。两种MOSFET的指标如表1所示。

控制MOSFET Q1就可以调节占空比，进而调整输出电压，因此它必须具备快速切换的能力，而且充电参数要比较小。IRFR3704的设计使用了先进的平面工艺，可以满足控制FET的需求，如表1所示。同样，这种先进的平面工艺也被用来为同步FET设计低R_DS(on)的IRFR3711。图2 各种器件组合在410Hz工作频率下的效率。研究人员使用下列组合的MOSFET进行在线比较来验证上述分析。效率曲线如图1所示。

精心选择控制与同步MOSFET的组合可以显著提高变换器的效率。利用采取了先进平面技术的30V器件组来代替原先的器件，可以使效率提高3%。利用具有低R_DS(on)的20V器件来代替30V同步MOSFET，还可以再提高0.5%。利用20V MOSFET代替30V MOSFET，可以再将效率提高0.8%。其中还包括了控制和同步MOSFET都使用IRFR3704的情形，因为设计人员有时希望使用同一种MOSFET来作为控制FET和同步FET。这进一步证实：与电路中原来的器件相比，在220kHz的工作频率下，使用IRFR3704作为控制FET、两个IRFR3711作为同步FET 将效率提高了4%以上。

当切换频率更高时，效率的提高将更加明显。图2是同一组MOSFET在将近两倍高的切换频率(410KHz)下的效率曲线。需要指出的是，在所用的器件处于过热的情况下，20V器件的效率仍然比30V器件高出了1.5%。

散热问题

在紧凑式封装中，需要较高的工作频率来提高瞬态响应，以便提供较大的电流。由于电源部分的体积减小了，各种部件产生热量的发散空间越来越小，因此散热处理更加困难。由于无源部分的体积减小了，在DC-DC变换器中损耗的大部分功率都是由电源半导体器件产生的，它们是功率损耗的主要来源。增加硅效率(silicon efficiency)可以在减小器件封装尺寸的同时提高变换器的性能，例如，具有更高效率的D-Pak MOSFET在PCB上需要用于散热的铜焊盘更小，从而减小了电路板的尺寸。

上述每组器件都在220kHz以及440kHz频率下，以40A的最大电流工作于两相DC-DC变换器中。最佳性能的器件组为IRFR3704和IRFR3711。图3为220kHz时红外摄像机所拍摄到的20V器件组的照片，图4为原有MOSFET的照片。可以看出，与当前使用的30V器件相比，使用20V器件可以使节点温度降低12°C。电路板的温度降低有助于提高效率和延长器件使用寿命。

20V MOSFET技术的可靠性

使用12V总线时，20V MOSFET提供了必要的击穿电压。不过，当同步FET关断时，随着漏极与源极之间的电压迅速上升，可以观察到有些振铃电压可达12V以上。为了监测使用20V MOSFET相对于使用30V MOSFET时的振铃，可以比较V_DS和V_GS的波形，测试在40A的满负载条件下进行。图5显示了使用IRFR3711作为同步FET、IRFR3704作为控制FET时的V_DS和V_GS波形。图6是原来使用30V器件的V_DS和V_GS波形。将图5和图6中的V_DS波形进行比较，可以发现振铃没有增加，最大电压约为15V，完全处于IRFR3711的20V击穿电压范围之内。高端的控制FET没有出现比12V高5-10%的电压，完全处于这种MOSFET的反向阻塞能力之内，因此，新的20V MOSFET组合能可靠用于台式CPU的电源设计。

新型20V 表1：两种MOSFET的指标比较。 MOSFET采用一种先进的条纹平面工艺制造，这种工艺通过更精细的几何加工能够取得较低的R_DS(on)；与网格平面工艺相比，门电荷更低。当工作频率升高时，这一点很关键。新器件的强度也有很大提高，例如，IRFR3704的单脉冲雪崩指标为216mJ，而25V控制FET为60mJ，原因就在于20V MOSFET的门指标提高了。