優化功率MOSFET開關設計 行動裝置充電器轉換效率躍升
在智慧型手機和平板裝置功能整合度持續提升，而尺寸不斷縮減的驅動下，過去幾年中，鋰離子電池的能量密度已顯著提高。行動裝置和電池技術的進步引導電池充電器設計者著重於改善功率轉換效率、功率密度、工作溫度、先進功率元件的充電時間和輸出功率、電路拓撲和控制方法。半導體供應商在開發先進技術，以實現較高效率和功率密度解決方案的方面扮演著舉足輕重的地位。
智慧型手機發展迅速，能同時支援多種功能和特性。它綜合了通訊、計算、網際網路及人際網絡的功能；因此，需要更多的晶片和處理週期，這意味著需要更高的功率位準。由於有了這些附加功能，智慧型手機需要比以往更高的電量。傳統的線性電池充電器因為效率低弱、尺寸較大，無法再充分滿足充電要求。因此，智慧型手機電池充電器的關鍵設計難題便是提高效率和功率密度，從而滿足能源規範。由於返馳式轉換器設計簡單、成本低廉，因此經常用於低功率應用，比如智慧型手機、平板裝置充電器或筆記型電腦電源轉換器(圖1)。
 |
| 圖1 典型的返馳式轉換器電路 |
降低功率MOSFET開關損耗 返馳式轉換器效率更耀眼
然而，由於返馳式轉換器具有較高均方根值(RMS)和峰值電流，返馳式金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)和輸出整流二極體具高開關損失及導通損失，將導致其相對較低的效率。透過對10瓦(W)返馳式轉換器進行功率損失分析，能發現造成初級側MOSFET功耗的主因是開關瞬間的開關損耗，尤其是當較高的汲源極電壓VDS施加到MOSFET時。因此，提高功率密度最常見的方法是提高開關頻率，這種方法能夠縮減被動元件的大小；同時為了提高系統效率和功率密度，必須減少初級側的開關損耗。
在低功率返馳式轉換器中，大多數熱耗散是由轉換器、初級側功率MOSFET和次級側二極體產生的。在眾多元件中又以功率MOSFET尤其重要，這是因為功率MOSFET耗散的功率比任何其他元件都多。這不僅是效率問題，而且還涉及到熱管理及可靠性。MOSFET中的功耗與導通電阻、閘極電荷及電流上升和下降時間以及開關頻率及工作溫度有很大關係。
功率MOSFET的損失包括開關損耗、導通損失及閘極驅動損失。圖2顯示在VIN=230Vac和POUT=10W條件下對行動充電器應用中MOSFET的功率損失分析。如圖2所示，開關損耗是10W返馳式轉換器中最關鍵的損失。
 |
| 圖2 10W返馳式轉換器功率MOSFET的損失分析 |
隨著MOSFET導通及關斷，內在寄生電容在每個開關過渡過程中存儲然後消耗能量。那些寄生相關的損耗是整流後線路電壓的平方與MOSFET的COSS輸出電容的函數。這些損耗與開關頻率成正比。MOSFET物理尺寸越大，其電容也越大；因此，當MOSFET的尺寸越大，開關損耗也就越大。因此，為了提高系統效率，就必須減少初級側開關的開關損耗，而不是其導通損耗。
由於MOSFET是單極元件，寄生電容是開關瞬間的唯一限制性因素。因此，若要減少開關損耗，須要降低寄生電容。了解輸入電容如何對應開關損耗的一種方法是，評測輸出電容的有效值。MOSFET輸出電容中存儲能量的計算方法是對輸出電容及汲源極電壓的乘積做積分運算，而汲源極電壓是指從零到導通瞬間前的汲源極電壓。所存儲的能量在每個開關週期導通時透過MOSFET通道消耗。
新一代MOSFET上陣 充電器效率/功率密度提升
新一代MOSFET上陣 充電器效率/功率密度提升
新一代MOSFET輸出電容中存儲的能量與過去的MOSFET相同導通電阻元件相比，少了大約35%(圖3)。新一代MOSFET不僅具有較低的導通損失，而且因為具有較小的閘極電荷，能夠實現較高的開關效率及較低的驅動損失，因此能夠提高10W行動充電器應用的系統可靠性。
 |
| 圖3 輸出電容中存儲的能量 |
10W返馳式轉換器設計用於評測新型超接面MOSFET的效率。整流器的輸入電壓是230Vac，輸出電壓及電流分別設定為5伏特(V)和0.5?2安培(A)。600V、900毫歐姆(mΩ)的新一代MOSFET功率損失、效率及輻射性電磁干擾(EMI)，與具有相同額定電壓及RDS(ON)並採用IPAK(TO-251)封裝的競爭產品超接面MOSFET比較結果如表1所示。由於整合了齊納二極體，600V、900mΩ的新一代MOSFET具有穩健的靜電放電(ESD)效能。
 |
如圖4所示，與半負載時的競爭產品MOSFET相比，新一代MOSFET的效率提高了大約0.69%和0.41%。效率提高的主要原因是，由於Eoss更低，關斷損耗和輸出容性損失得以降低。
 |
| 圖4 10W返馳式轉換器的效率對比 |
圖5顯示600V、900mΩ新一代MOSFET與600V、900mΩ競爭產品超接面MOSFET之間，水平輻射型EMI雜訊的測得結果。透過採用針對初級側開關進行最佳化的新一代MOSFET，既能夠提高系統效率又不降低EMI效能。
 |
| 圖5 10W返馳式轉換器的輻射性EMI對比(在Vin=115Vac、Pout=10W，水平天線下) |
快速充電、提高功率密度和實現更高效率是行動充電器應用中最具有挑戰性的問題。為了實現這個目標，開關效率是最重要的。透過減少閘極電荷和輸出電容中存儲的能量，新一代MOSFET能夠提高開關效率，並減少驅動和輸出容性損耗，它能允許設計者顯著提高智慧型手機或平板裝置電池充電器系統效率及功率密度，同時保持非常好的EMI效能。
