中心論題：

• 電子產(chǎn)品性能的提升需要進一步提高DC/DC的轉(zhuǎn)換效率
  
• MOSFET是影響DC/DC系統(tǒng)效率的主要原因
  
• 硅基MOSFET的技術改進：改善開關特性，增加單元密度

解決方案：

• 提高MOSFET單元密度
  
• 仔細的選擇和優(yōu)化MOSFET的性能系數(shù)（FOM）
  
• 選擇RDS(ON)較小的MOSFET

在計算和消費電子產(chǎn)品中，很多部分的效率已經(jīng)有了顯著的提高，重點是AC/DC轉(zhuǎn)換上。不過，隨著80 PLUS，Climate Savers以及EnergyStar 5等規(guī)范的出現(xiàn)，設計人員開始認識到，AC/DC和DC/DC功率系統(tǒng)都需要改進。

AC/DC平均系統(tǒng)效率在65%左右，而DC/DC平均系統(tǒng)效率為80%，所以不難理解為什么大家側(cè)重于AC/DC系統(tǒng)。不過，現(xiàn)在應該重新檢查DC/DC系統(tǒng)，找出改善效率的新方法。

計算、通信和消費應用系統(tǒng)中的DC/DC負責轉(zhuǎn)換、管理并分配功率，為顯卡、處理器芯片以及內(nèi)存等功能提供電能，而所有這些功能都面臨著提高性能的需求，因此對更高的效率的需求也越來越迫切。已經(jīng)有研究在利用最新的MOSFET技術以及先進的熱封裝技術來提高現(xiàn)有的開關電路和相關的功率晶體管器件的效率。

仔細選擇電源部件，特別是車載的同步降壓變換器，可以大幅度改善新平臺的功率密度、效率以及熱性能。例如，如果有50萬臺服務器都完全符合80 PLUS能源規(guī)定的要求，那么所節(jié)省的能源足以供應超過377 000戶家庭的用電。

電路和損耗
降壓或同步降壓電路是所有低電壓DC/DC功率管理系統(tǒng)的重負荷部件，而所有同步降壓電路中的主要功率損耗來自MOSFET的開關和傳導損耗。

在任何臺式電腦中都可以找到常見的降壓整流器（VRM），如圖1所示，這種整流器在滿載時可以提供超過25A的電流和1.2V的輸出。因此，1個MOSFET將位于主通路中或高邊插槽，而2個并聯(lián)的MOSFET將位于飛輪或底邊插槽中。將12V的輸入降壓為1.2V的輸出，那么占空比是10%，所以高端MOSFET將調(diào)節(jié)為低開關損耗，而低端MOSFET對將把RDS(ON)調(diào)節(jié)到最低，以最小化傳導損耗。

圖1 臺式電腦中常見的電壓整流器

由分立的驅(qū)動器和MOSFET實現(xiàn)的多相VRM VCORE方案的典型峰值效率是90%，出現(xiàn)在每相額定電流10A處，而在滿載30A電流時，效率降低到85%。對于今天的設計人員而言，完整的VRM系統(tǒng)通常輸出功率為100W，效率為85%，也就是說功率損耗為15W。

硅基MOSFET的逐步改進
MOSFET廠商主要通過兩種方式來優(yōu)化工藝的發(fā)展。首先，為了改善產(chǎn)品的開關特性（開關速度），他們實施了先進的柵極結(jié)構設計，降低了柵極電荷（Qg）效應。其次是增加單元密度，也就是說，在大小相同的晶片上，導通電阻顯著降低。RDS(ON)和電流是MOSFET傳導損耗的兩項決定因素，傳導損耗的計算公式很簡單：
Ploss=I2×RDS(ON) 傳導損耗
Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F 開關損耗

圖2顯示了Fairchild公司≤30V的N溝道MOSFET單元密度的進步。每個條形都表示新的工藝進步?？梢钥吹剑谧罱氖曛?，單元密度從3200萬單元/平方英寸增加到現(xiàn)在的10億單元/平方英寸。

圖2 小于30V的N溝道MOSFET中單元密度的進步

MOSFET性能系數(shù)
在業(yè)界，常用的性能測量方法始終是性能系數(shù)（FOM），而從根本上講，這只不過是綜合考慮了晶體管導通電阻和柵極電荷。
FOM=RDS(ON)×Qg
RDS(ON)直接與傳導損耗有關，而Qg直接與開關損耗有關。FOM越小，性能越好。

圖3顯示了低電壓MOSFET工藝發(fā)展中FOM的進步。對于2004年實施的PowerTrench3而言，最好的FOM是240，而今天的PowerTrench5硅工藝中最好的FOM是126。

圖3 低電壓MOSFET性能系數(shù)（FOM）的進步

遺憾的是，F(xiàn)OM降低50%并不意味著MOSFET損耗減少50%，因為它們的關系不是線性的。不過，通過仔細的選擇和優(yōu)化，今天的MOSFET仍然可以顯著降低系統(tǒng)的功率損耗。

系統(tǒng)級效率
因此，功率MOSFET是DC/DC功率電路中功率損耗的罪魁禍首，通過采用先進的器件，可以將這一損耗大幅降低。那么這與系統(tǒng)總體效率有什么樣的關系呢？

設計人員尋求方法來改善負荷分別為低、中等、高時整個機器工作范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率。在滿載時，例如在計算機啟動或者處理工序繁忙時，功率系統(tǒng)中傳導損耗占主導。只需選擇RDS(ON)較小的MOSFET就可以顯著降低損耗。非常有趣的是，大多數(shù)PC在工作使用期中大部分時間處于待機或睡眠狀態(tài)，因此低負荷時的效率非常重要。

圖4 VR11.1（Intel主板電源規(guī)范）VCORE管腿的效率對比

圖4顯示了實際的效率圖，數(shù)據(jù)取自臺式機電源整流器模塊相位管柱。這4條曲線是將2個不同的MOSFET器件分別在300kHz和550kHz處得到的結(jié)果。我們可以看到整個負載電流范圍內(nèi)的效率。

注意上面的兩條曲線，在滿載（30A）時，可以看到最新的器件的效率有1.5%的改進。同樣還是這兩條曲線，在負荷較小（15A）時，可以實現(xiàn)0.69%的改善。如果對整個負荷范圍積分，那么與今天常見的方案相比，使用最新的MOSFET器件時平均功率損耗可以降低8%～10%。即使在較高的開關頻率541kHz處，可以看到在負荷小時系統(tǒng)級效率仍然高于80%，而在滿載時效率大于70%。如果頻率繼續(xù)增加，那么開關損耗將急劇增加。

大多數(shù)DC/DC變換器的最佳工作頻率是250～300kHz，因為這樣的頻率所產(chǎn)生的開關損耗和傳導損耗都可以承受，而且輸出到負載的紋波也足夠低。工作在250kHz以下時效率會更高一些，但是電壓輸出的偏差可能太大，因此無法用來給Pentium芯片組供電。

同樣的想法可以用于筆記本電腦處理器的電源、游戲機，還可以用在置頂盒和其他家用消費電子產(chǎn)品，盡管它們的電流要小得多。每一毫瓦的能源節(jié)省看起來都舉步維艱。不過，它可以為今天的環(huán)境問題造成全球的改善。許多方法上的小的改進都會產(chǎn)生顯著的效果。