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(yong)MOSFET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/DC功(gong)率(lv)電(dian)路(lu)中(zhong)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)的(de)罪(zui)魁(kui)禍(huo)首(shou)，通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)器(qi)件(jian)
，可(ke)以(yi)將(jiang)這(zhe)一(yi)損(sun)耗(hao)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)。那(na)麼(me)這(zhe)與(yu)係(xi)統(tong)總(zong)體(ti)效(xiao)率(lv)有(you)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)關(guan)係(xi)呢(ne)？設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)尋(xun)求(qiu)方(fang)法(fa)來(lai)改(gai)善(shan)負(fu)荷(he)分(fen)別(bie)為(wei)低(di)、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、youxiji
，haikeyiyongzaizhidingheheqitajiayongxiaofeidianzichanpin
，jinguantamendedianliuyaoxiaodeduo。meiyihaowadenengyuanjieshengkanqilaidoujubuweijian。buguo，takeyiweijintiandehuanjingwentizaochengquanqiudegaishan。xuduofangfashangdexiaodegaijindouhuichanshengxianzhudexiaoguo。