中心議題：

• 通過優化FET開關來改善能量效率

解決方案：

• 實施先進的柵極結構設計降低柵極電荷（Qg）效應
• 選擇RDS(ON)較小的MOSFET就可以顯著降低損耗

在計算和消費電子產品中，效率已經有了顯著的提高
，重點是AC/DC轉換上。不過
，隨著80PLUS，ClimateSavers以及EnergyStar5等規範的出現，設計人員開始認識到，AC/DC和DC/DC功率係統都需要改進。

AC/DC平均係統效率在65%左右，而DC/DC平均係統效率為80%
，所以不難理解為什麼大家側重於AC/DC係統。不過，現在應該重新檢查DC/DC係統

，找出改善效率的新方法。

計算、通信和消費應用係統中的DC/DC負責轉換、管理並分配功率，為顯卡

、處chu理li器qi芯xin片pian以yi及ji內nei存cun等deng功gong能neng提ti供gong電dian能neng，而er所suo有you這zhe些xie功gong能neng都dou麵mian臨lin著zhe提ti高gao性xing能neng的de需xu求qiu，因yin此ci就jiu比bi任ren何he時shi候hou都dou需xu要yao更geng高gao的de效xiao率lv。已yi經jing有you研yan究jiu利li用yongMOSFET的de最zui新xin進jin展zhan以yi及ji先xian進jin的de熱re封feng裝zhuang技ji術shu來lai提ti高gao現xian有you的de開kai關guan電dian路lu和he相xiang關guan的de功gong率lv晶jing體ti管guan器qi件jian的de效xiao率lv。仔zai細xi選xuan擇ze電dian源yuan部bu件jian，特te別bie是shi車che載zai的de同tong步bu降jiang壓ya變bian換huan器qi，可ke以yi大da幅fu度du改gai善shan新xin平ping台tai的de功gong率lv密mi度du
、效率以及熱性能。例如，如果有50萬台服務器都完全符合80PLUS能源規定的要求，那麼所節省的能源足以供應超過377000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功率管理係統的重負荷部件，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。

在任何台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將位於主通路中或高邊插槽，而2個並聯的MOSFET將位於飛輪或底邊插槽中。將12V的輸入降壓為1.2V的輸出

，那麼占空比是10%，所以高端MOSFET將調節為低開關損耗
，而低端MOSFET對將把RDS(ON)調節到最低
，以最小化傳導損耗。

                                         

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

矽基MOSFET的逐步改進

MOSFET廠商主要通過兩種方式來優化工藝的發展。首先
，為了改善產品的開關特性（開關速度），他們實施了先進的柵極結構設計，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。可以看到，在最近的十年中，單元密度從3200萬單元/平方英寸增加到現在的10億單元/平方英寸。
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MOSFET性能係數

在業界
，常用的性能測量方法始終是性能係數（FOM），而從根本上講，這隻不過是綜合考慮了晶體管導通電阻和柵極電荷。

FOM=RDS(ON)×QgRDS(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工藝發展中FOM的進步。對於2004年實施的PowerTrench3而言，最好的FOM是240，而今天的PowerTrench5矽工藝中最好的FOM是126。
                                   

遺憾的是
，FOM降低50%並不意味著MOSFET損耗減少50%
，因為它們的關係不是線性的。不過，通過仔細的選擇和優化
，今天的MOSFET仍然可以顯著降低係統的功率損耗。

係統級效率

因此

，功率MOSFET是DC/DCgonglvdianluzhonggonglvsunhaodezuikuihuoshou
，tongguocaiyongxianjindeqijian，keyijiangzheyisunhaodafujiangdi。namezheyuxitongzongtixiaolvyoushenmeyangdeguanxine？shejirenyuanxunqiufangfalaigaishanfuhefenbieweidi
、中等

、高時整個機器工作範圍內的係統效率。在滿載時

，例如在計算機啟動或者處理工序繁忙時，功率係統中傳導損耗占主導。隻需選擇RDS(ON)較小的MOSFET就可以顯著降低損耗。非常有趣的是，大多數PC在工作使用期中大部分時間處於待機或睡眠狀態
，因此低負荷時的效率非常重要。

                                          

圖4顯示了實際的效率圖
，數據取自台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處得到的結果。我們可以看到整個負載電流範圍內的效率。

注意上麵的兩條曲線，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0.69%的改善。如果對整個負荷範圍積分，那麼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係統級效率仍然高於80%，而在滿載時效率大於70%。如果頻率繼續增加
，那麼開關損耗將急劇增加。

大多數DC/DC變換器的最佳工作頻率是250～300kHz，因為這樣的頻率所產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。

同樣的想法可以用於筆記本電腦處理器的電源

、遊(you)戲(xi)機(ji)，還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)在(zai)置(zhi)頂(ding)盒(he)和(he)其(qi)他(ta)家(jia)用(yong)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)，盡(jin)管(guan)它(ta)們(men)的(de)電(dian)流(liu)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。每(mei)一(yi)毫(hao)瓦(wa)的(de)能(neng)源(yuan)節(jie)省(sheng)看(kan)起(qi)來(lai)都(dou)舉(ju)步(bu)維(wei)艱(jian)。不(bu)過(guo)，它(ta)可(ke)以(yi)為(wei)今(jin)天(tian)的(de)環(huan)境(jing)問(wen)題(ti)造(zao)成(cheng)全(quan)球(qiu)的(de)改(gai)善(shan)。許(xu)多(duo)方(fang)法(fa)上(shang)的(de)小(xiao)的(de)改(gai)進(jin)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)顯(xian)著(zhu)的(de)效(xiao)果(guo)。