提高SMPS功率密度　拓?fù)浼軜?gòu)徹底翻新

　　藉由整合電路拓?fù)涞母纳婆c更低損耗功率元件，SMPS開發(fā)商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正進行一場革命性的發(fā)展，包括相移（Phase-Shifted）、脈寬調(diào)變（PWM）、零電壓開關(guān)、全橋和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，均可利用FRFET MOSFET做為功率開關(guān)來實現(xiàn)這些目標(biāo)。除LLC諧振轉(zhuǎn)換器常用于較低的功率應(yīng)用外，其余拓?fù)浣杂迷谳^高功率。

　　這些拓?fù)渚哂幸韵碌膬?yōu)勢：減少開關(guān)損耗、EMI，且相較于準(zhǔn)諧振拓?fù)?，減少MOSFET應(yīng)力，由于提升開關(guān)頻率，因而減小散熱器和變壓器尺寸，對提高功率密度大有幫助。對相移全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET要求，則包括具較低tRR和QRR，以及最佳軟度的快速軟恢復(fù)體二極體MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極體的電壓尖峰并增加可靠性。同時還要有低QGD和QGD/QGS比，因在輕負(fù)載下將出現(xiàn)硬開關(guān)，且高CGD×dv/dt可能會引起擊穿。

　　由于零電壓開關(guān)會變?yōu)橛查_關(guān)，降低COSS可將零電壓開關(guān)延伸到更輕負(fù)載，從而減少硬開關(guān)損耗。此拓?fù)溆诟哳l下運行，需要一個經(jīng)優(yōu)化的低CISS MOSFET。接著在關(guān)斷和導(dǎo)通期間，較低的分散式閘極內(nèi)部ESR對于ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布是有益的。

　　針對以上應(yīng)用要求，常規(guī)MOSFET自體二極體有時會引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET則相當(dāng)適用于此一拓?fù)?，因tRR和QRR，以及會引起失效的活躍二極體均有所改善。

　　導(dǎo)入PFC功能　AC-DC電源效率大增

　　另一方面，傳統(tǒng)AC電源經(jīng)整流后輸入大電容濾波器，從輸入提取的電流為狹窄的高振幅脈衝，這一級構(gòu)成SMPS的前端。當(dāng)高振幅電流脈衝產(chǎn)生諧波，將對其他設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，此外，也減少可從電源獲得的最大功率。

　　由于失真AC電壓將使電容器過熱、電介質(zhì)應(yīng)力和絕緣過壓，而失真電流也加劇配電損耗且浪費可用功率。為解決此一問題，利用PFC功能方可確保符合監(jiān)管規(guī)範(fàn)，減少由上述應(yīng)力而導(dǎo)致的元件失效，并拉高電源利用效率，改善元件性能。

　　採用PFC可使輸入端看起來更像一個電阻，因相較于典型的0.60.7的SMPS功率因數(shù)值，該電阻具有一單位功率因數(shù)（Unity Power Factor），促使配電系統(tǒng)能以最高效率運行。

　　至于對PFC升壓開關(guān)的功能要求，首先是低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)，因QGD和CGD會影響開關(guān)速率，同時也要降低CGD、QGD和RSP，以減少導(dǎo)通與開關(guān)損耗。此外，還要具備硬開關(guān)和零電壓開關(guān)，使COSS減少來壓低關(guān)斷損耗；加上PFC通常在100KHz以上的頻率運行，亦要降低CISS減低閘極驅(qū)動功率。

　　至于PFC運作的可靠度，則須仰賴高dv/dt抗擾性，若需要MOSFET并聯(lián)提供抗擾性，以承受dv/dt狀況的再次出現(xiàn)，還須採用高閘極閾值電壓（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC動態(tài)開關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突然改變會導(dǎo)致閘極振盪，并增加閘極電壓，將影響長期的可靠性，設(shè)計時須留意此一情形。因高ESR會增加關(guān)斷損耗，尤其在零電壓開關(guān)拓?fù)渲?，故閘極ESR的控制相當(dāng)重要。

　　改善電源壓降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被稱為主動（Active）整流，其以MOSFET取代二極體，用以提升整流效率。典型二極體的電壓降大約會在0.71.5伏特之間，使得二極體中產(chǎn)生高的功率損耗。在低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，此電壓降將非常顯著，造成效率下降。有時以蕭特基整流器來代替硅二極體來改善；然而，因為當(dāng)電壓升高時，它的正向電壓降也會增加；且在低壓轉(zhuǎn)換器中，蕭特基二級體整流也無法提供足夠效率，促進同步整流方案興起。

　　現(xiàn)代MOSFET的RSP已大幅減少，且動態(tài)參數(shù)也已被優(yōu)化。當(dāng)這些主動式的控制MOSFET替換掉二極體，就可啟動同步整流。如今，MOSFET已可實現(xiàn)僅幾毫歐導(dǎo)通電阻，即使在大電流下亦可顯著降低兩端的電壓降，相較于二極體整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬開關(guān)，在穩(wěn)定狀態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換，且在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，MOSFET自體二極體導(dǎo)通，使經(jīng)過MOSFET的壓降為負(fù)，增加CISS。由于這種軟開關(guān)，閘極恆壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，將可有效減少閘極電荷。

　　對同步整流的主要要求包括低RSP、低動態(tài)寄生電容，藉此減少在高頻下運行的同步整流電路閘極驅(qū)動功率。此外，還須具備低QRR和COSS以減少反向電流，當(dāng)此一拓?fù)湓诟唛_關(guān)頻率下運行時，會引發(fā)一個問題，就是在高開關(guān)頻率下，此反向電流將可充當(dāng)高洩漏電流。

　　與此同時，為避免暫態(tài)擊穿及降低開關(guān)損耗，還需要低tRR、QRR和軟性的自體二極體，且導(dǎo)通需為零電壓開關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，自體二極體再次導(dǎo)通，當(dāng)次級電壓反轉(zhuǎn)時，自體二極體恢復(fù)，使得擊穿的風(fēng)險升高。對此，活躍二極體需要一個跨接MOSFET的緩衝電路，而QGD/QGS比也須具較低規(guī)格，方能用于二級側(cè)同步整流。

　　接替蕭特基二極體　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最簡單的OR-ing元件也是一種二極體，僅允許電流在一個方向流動，故當(dāng)其失效時，電流不會回流入電源端，可保護輸入電源。此類二極體可用于隔離冗余電源，若一個電源失效，將不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，只要移除單點失效即可讓系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運行。

　　然而，實現(xiàn)這種隔離有一些問題，一旦OR-ing二極體插入到電流路徑中，會產(chǎn)生額外的功率損耗并降低效率，產(chǎn)生更多熱源，故須加裝散熱器，導(dǎo)致系統(tǒng)功率密度難以提升。再者，OR-ing須具有軟開關(guān)特性，否則當(dāng)二極體被關(guān)斷時，反向恢復(fù)會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

　　為克服OR-ing二極體的問題，一直都是採用蕭特基二極體設(shè)計，其與P-N二極體之間的主要差異，就是減小正向電壓降及可忽略的反向恢復(fù)。普通硅二極體的壓降介于0.71.7伏特之間；而蕭特基二極體的正向電壓降在0.20.55伏特之間。當(dāng)以蕭特基二極體做為OR-ing元件使用時，即便具有高洩漏電流，為系統(tǒng)帶來額外的導(dǎo)通損耗，該總體損耗仍會小于硅二極體。

　　另一個解決方案是以功率MOSFET來取代蕭特基二極體，但須引進額外的MOSFET閘極驅(qū)動器，增加系統(tǒng)復(fù)雜性。由于MOSFET的Rds（on）要求很小，因而兩端電壓降會比蕭特基二極體的正向電壓低很多，可稱之為新一代主動OR-ing二極體設(shè)計。

　　現(xiàn)階段低壓MOSFET的Rds（on）已做到很低；即便採用TO-220或D2封裝，也可以低至幾毫歐姆。舉例來說，快捷的FDS7650採用PQFN56封裝，對于30伏特MOSFET而言，可達(dá)到小于1毫歐姆，當(dāng)OR-ing MOSFET導(dǎo)通時，還可讓電流以任一方向流動。至于在失效情況下，冗余電源提供大電流，因而OR-ing MOSFET須快速關(guān)斷，快捷的PowerTrench MOSFET也可解決此種狀況。