在計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品中,，效率已經(jīng)有了顯著的提高，重點(diǎn)是AC/DC轉(zhuǎn)換上,。不過(guò),，隨著80 PLUS，Climate Savers以及EnergyStar 5等規(guī)范的出現(xiàn),，設(shè)計(jì)人員開始認(rèn)識(shí)到,，AC/DC和DC/DC功率系統(tǒng)都需要改進(jìn)。
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(guò)，現(xiàn)在應(yīng)該重新檢查DC/DC系統(tǒng),，找出改善效率的新方法,。
計(jì)算、通信和消費(fèi)應(yīng)用系統(tǒng)中的DC/DC負(fù)責(zé)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,，因此就比任何時(shí)候都需要更高的效率。已經(jīng)有研究利用MOSFET的最新進(jìn)展以及先進(jìn)的熱封裝技術(shù)來(lái)提高現(xiàn)有的開關(guān)電路和相關(guān)的功率晶體管器件的效率,。
仔細(xì)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(tái)的功率密度,、效率以及熱性能,。例如，如果有50萬(wàn)臺(tái)服務(wù)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(yīng)超過(guò)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(fù)荷部件,，而所有同步降壓電路中的主要功率損耗來(lái)自MOSFET的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗,。
在任何臺(tái)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(shí)可以提供超過(guò)25A的電流和1.2V的輸出,。因此，1個(gè)MOSFET將位于主通路中或高邊插槽,，而2個(gè)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(guān)損耗,，而低端MOSFET對(duì)將把RDS(ON)調(diào)節(jié)到最低，以最小化傳導(dǎo)損耗,。
圖1 臺(tái)式電腦中常見的電壓整流器
由分立的驅(qū)動(dòng)器和MOSFET實(shí)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(shí),，效率降低到85%,。對(duì)于今天的設(shè)計(jì)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(shuō)功率損耗為15W,。
硅基MOSFET的逐步改進(jìn)
MOSFET廠商主要通過(guò)兩種方式來(lái)優(yōu)化工藝的發(fā)展。首先,，為了改善產(chǎn)品的開關(guān)特性（開關(guān)速度）,，他們實(shí)施了先進(jìn)的柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了柵極電荷（Qg）效應(yīng),。其次是增加單元密度,，也就是說(shuō)，在大小相同的晶片上,，導(dǎo)通電阻顯著降低,。RDS(ON)和電流是MOSFET傳導(dǎo)損耗的兩項(xiàng)決定因素，傳導(dǎo)損耗的計(jì)算公式很簡(jiǎn)單：
Ploss=I2×RDS(ON) 傳導(dǎo)損耗
Ploss=1/2V×I×(Tr+Tf)×F 開關(guān)損耗
圖2顯示了Fairchild公司≤30V的N溝道MOSFET單元密度的進(jìn)步,。每個(gè)條形都表示新的工藝進(jìn)步,。可以看到,，在最近的十年中,，單元密度從3200萬(wàn)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(jìn)步
MOSFET性能系數(shù)
在業(yè)界,，常用的性能測(cè)量方法始終是性能系數(shù)（FOM）,，而從根本上講，這只不過(guò)是綜合考慮了晶體管導(dǎo)通電阻和柵極電荷,。
FOM=RDS(ON)×Qg
RDS(ON)直接與傳導(dǎo)損耗有關(guān),，而Qg直接與開關(guān)損耗有關(guān)。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(jìn)步。對(duì)于2004年實(shí)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(jìn)步
遺憾的是,，F(xiàn)OM降低50%并不意味著MOSFET損耗減少50%,，因?yàn)樗鼈兊年P(guān)系不是線性的。不過(guò),，通過(guò)仔細(xì)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(jí)效率
因此,，功率MOSFET是DC/DC功率電路中功率損耗的罪魁禍?zhǔn)?，通過(guò)采用先進(jìn)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(guān)系呢,？
設(shè)計(jì)人員尋求方法來(lái)改善負(fù)荷分別為低,、中等、高時(shí)整個(gè)機(jī)器工作范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率,。在滿載時(shí),，例如在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)或者處理工序繁忙時(shí)，功率系統(tǒng)中傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo),。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(shí)間處于待機(jī)或睡眠狀態(tài),，因此低負(fù)荷時(shí)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(duì)比
圖4顯示了實(shí)際的效率圖，數(shù)據(jù)取自臺(tái)式機(jī)電源整流器模塊相位管柱,。這4條曲線是將2個(gè)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(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)的效率。
注意上面的兩條曲線,，在滿載（30A）時(shí),，可以看到最新的器件的效率有1.5%的改進(jìn)。同樣還是這兩條曲線,，在負(fù)荷較?。?5A）時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.69%的改善,。如果對(duì)整個(gè)負(fù)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(shí)平均功率損耗可以降低8%～10%,。即使在較高的開關(guān)頻率541kHz處,，可以看到在負(fù)荷小時(shí)系統(tǒng)級(jí)效率仍然高于80%,，而在滿載時(shí)效率大于70%,。如果頻率繼續(xù)增加，那么開關(guān)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?yàn)檫@樣的頻率所產(chǎn)生的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗都可以承受，而且輸出到負(fù)載的紋波也足夠低,。工作在250kHz以下時(shí)效率會(huì)更高一些,，但是電壓輸出的偏差可能太大，因此無(wú)法用來(lái)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(jī)，還可以用在置頂盒和其他家用消費(fèi)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(lái)都舉步維艱,。不過(guò)，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(jìn)都會(huì)產(chǎn)生顯著的效果,。