小小的电源开关可如何拯救世界

      几乎所有功耗超过1W的电子产品都带有开关模式的电源子系统。事实上，也很难想象有任何产品不是这样。为了提高应用产品在整个生命周期上的效率，且降低成本，业界尝试了大量的拓扑结构和控制方法。其中，对电源开关进行改进所获得的效果仍然是最大的。而最新一代的功率MOSFET和IGBT可实现最高水平的集成度，能够满足并超出业界日益强制性的新能效规范，从而改变了应用前景。

      从生态设计环境来看，一个产品从原材料开始，经过产品设计和生产，然后运送到终端客户手中，继而使用、回收，再加上后续消耗，其总价值链相当长。在这个生命周期的每一个阶段，必须考虑到能耗和有害废物的产生，并对其影响进行量化。“有害”的排放物包含热、废水、温室气体、工艺化学材料等，在运输和使用阶段温室气体排放更多，而在回收处理时会产生更多的化学物质和垃圾。若以金钱来量化上述所有影响，并将之累加起来，其总和被称为“生命周期成本 (lifecycle cost)”。

      显然，在这个例子中，少即是多。应该怎么做呢?由于一般通过提高工作模式和待机模式下的效率可获得最大效果 (至少对耗能产品如此)，故我们必须把注意力转向电源和电动电机。

      我们日常生活中的大多数应用产品都包含了功率转换或运动控制子系统，如图1所示。把这种应用前景一分为二有助于解决问题。

      功率转换子系统主要解决所有AC-DC和DC-DC转换问题。在常用拓扑中，绝大多数都是利用开关模式转换电路把一种直流电转换为另一种直流电。即使是在脱机电源中，输入端的首要部件之一也是整流器，因此，严格来说，大多数情况下，AC-DC电源实际上就是一个DC-DC转换器。

      运动控制子系统的基本工作原理截然不同。在这里，输入是直流电用于产生交流波形，这种适当的波形使电机转动。有时这些系统可以称作DC-AC，有时它又被称为变频器。大部分电机都有三相，这些逆变器带三个输出端，仍使用开关模式电路来生成相移波形，供电机所用。三相实际上是确定旋转方向并使电机从要求的方向开始 (DC有刷和开关磁阻电机例外) 所需的最小相数。

图1 大多数应用产品都包含功率转换或运动控制子系统

      推动这三者进步的主要驱动力量是所用开关和控制电路的性能提高;电源电子系统集成度不断提高的趋势;以及设备制造商价值链的改变。例如，许多制造商视电源为畏途，因为它难以设计、成本高，而且产热，却没有增加终端产品的销售优势，也没有增加其功能性。厂商更关注的往往是产品中对他们更重要的其它方面。在这些情况下，电源设计必须诉诸于其它地方，而半导体供应商能够通过提供出色的解决方案支持在此发挥重大作用。

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      开关模式拓扑已使用了很长一段时间，但电源开关中仍然有大部分能量流失，改进这些设计的主要潜能在于改进电源开关。有趣的是，在过去几十年间，电源开关的特性逐步提升，转换电路的选择也在不断发展和改变。今天，反激变换器开始用于150W及以上领域，过去至400W的功率范围是由全桥转换器来实现的，现在采用半桥转换器就可以解决。此外还有控制电路和无源元件的进步，新的控制方案和更严格的公差让谐振拓扑得以广泛运用，能提高效率，并进一步降低电磁辐射。

      开关模式拓扑的工作原理

      右图展示了开关模式转换器的基本概念。其中，开关周期性地导通和关断 (如在60或100kHz)，产生的平方波被转换为较低电压。由于开关 (理想上) 是完全导通或关断，故开关产生的损耗 (导通损耗、开关损耗和栅极驱动损耗) 很小。在这一过程中，理想上电感是不会产生损耗的，但实际上仍存在很小的损耗 (线圈磁芯和阻抗)。二极管是所谓的续流二极管，允许电感上有持续电流流过。

      如该图所示，矩形波形下方的面积对应着输出波形的相同面积，但在后者中所有矩形波都连接在一起而产生一个平滑的输出电压。在这种拓扑的前一代结构即所谓的线性稳压器中，开关的功能是由可变电阻所实现的，而且没有电感。电阻值必需随线路和负载的变化而变化，一般有一个有源控制电路根据输出电压对之进行驱动。损耗与I?R成正比，随电流与输入/输出电压的差值增加而增加，并且增加速度非常快。

      过去20年中，器件领域取得了巨大的进展。双极型晶体管已为MOSFET所取代，后者的RDSON和稳定性更好，更有双极型晶体管和MOS相结合构成的器件，即所谓的IGBT。

图2 垂直平面型MOSFET的横截面—原理示意图，横截面图

      绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT) 虽然包含了两个元件而非一个，却没有因此而更复杂。

图3 右边的符号图简单阐明了双极型晶体管是如何被MOSFET所驱动，左图给出了采用硅技术实现时该器件的垂直结构

      由于MOSFET的开关频率可以更高 (因此电感更小)，故那些需要相对较低电流和快速开关工作或I-V线性特性的应用产品通常都采用MOSFET来构建，而那些功率较高的、并且需要更大增益和更大电流及中速开关工作的应用一般采用IGBT来构建。IGBT的击穿电压也更容易提高，对于功率较高的系统，最常见的值为1200V、1700V和3500V，而这对MOSFET而言几乎是不可能的，更遑论商业用了。

      那么，这些器件和理想开关之间的最大区别在哪里呢?首先，驱动实际开关需要一些能量。这个能量必需由栅极驱动器提供。由于MOSFET和IGBT都代表着电容性负载，利用栅极电容，驱动电压和开关频率可计算出所需的功率。双极型晶体管需要一个基极电流，而在IGBT中，这由栅极电压的沟道提供，并流入负载。由于这个功率可能相当高，目前只在极少数情况下开关模式电源才采用双极型晶体管。因为栅极是电容性负载，栅极驱动器在开关时可能产生高峰值电流。这些峰值电流与主要开关的开关速度直接有关，这种关系既有利也有弊。一般而言，由于器件在“线性”区域 (即在完全导通和完全关断之间) 花费的时间越来越少，故需要快速的开关，但电路中电流变化率dI/dt过快可能带来有害的副作用，比如可能损坏开关或其它元件的高峰值电压。此外，快速开关无可避免产生电磁辐射，为符合相关规范，这些辐射必需被过滤掉。

      MOSFET或IGBT与理想开关的另一个区别是，它们的导通阻抗不是零，因此会产生导通损耗。IGBT的情况更甚，器件上或多或少的恒定压降都会在导通状态产生损耗，在轻载时尤其严重。

      第三个区别是，器件中的寄生电容会存储能量，并正好在器件从导通状态变为关断状态时释放能量，反之亦然。这些损耗可能相当大，即使空载时也会产生功耗。

      由于我们最初的目的是提高电源子系统的效率，故电源开关的影响最大，这三大效应 (栅极驱动、开关和导通损耗) 为我们提供了一条提高效率的路径。那有什么新方法吗?图4显示了从平面型到垂直和超结MOSFET等各种器件结构上的路径。

图4 左图为典型的平面型MOSFET，右图是利用多外延层产生的超结MOSFET

      不幸的是，摩尔定律在这里不再适用。由于光刻设备的改进，器件结构可被简化，相同面积上可集成更多的有源晶体管。不过存在两个限制效应：首先，电场必须保持在一定强度之下，否则器件结构会内部击穿。其次，若器件加压过大，需要以受控方式吸收能量，这不仅需要特定的结构，还得有足够的硅体积以避免器件毁坏。

      但也并非没有优点。由于晶体管单元 (通常按条状排列) 尺寸的减小，导通阻抗可大幅度改善。因此，对于给定的RDSON 值，芯片尺寸要小得多，成本效益也更高，而且需要的栅极驱动功率更低 (改进器件结构，减少栅极的内部电容)。现在，击穿电压600V、导通阻抗低于85毫欧的功率MOSFET (TO220封装)已面市，其在特定点的功率损耗只是前几代产品的二分之一。

      另一项重大进步是垂直晶体管中块状半导体材料阻抗的降低。在功率MOSFET中，反应大部分都是发生在表面以下数微米内，这一厚度正好是机械处理所需的，并允许损耗区域延伸到器件更深部分，但不超过最大电场强度。正因为此，业界的研发重点都集中在使晶圆更薄、改进处理技术以去除电流路径上的阻抗就不足为奇了。被称为“超结”MOSFET的最新器件结构增加了器件的n掺杂，可进一步减小这种阻抗，而且它又被大半器件引入的p掺杂所抵消掉，以保持总体电荷平衡。

      至于IGBT，它运用沟道技术来减小片上横向隔离结构的大小，有助于减小芯片面积，同时保持性能。但这些沟道必需支持很高的隔离电压，故取得这一技术的进步并不容易。结果是相比前几代产品，导通损耗降低25%，开关损耗降低8%。对于加热应用，由于普遍使用基于IGBT的感应加热器，其效率从40% (气体) 左右提高到90%以上。

      这种新器件将如何改变应用前景呢?当前，节能和相关新规范前所未有的重要。现有电路和器件也可以满足这些规范，但无法同时保持现有的成本水平。飞兆半导体推出的新电源开关却具有一流的性价比，能协助众多研发工程师轻松应对公司和客户提出的提高电源子系统效率的挑战。

      必需注意的是，这些新的、尺寸更小的器件还能够在多芯片封装中真正实现功率子系统的高效集成，同时体现良好的功率级别。利用以往的技术，由于封装的热阻和过热现象，功率总是颇为受限，这些解决方案并没有起到什么作用。眼下情况正在改变，飞兆半导体开发的一大批专门用于运动控制、感应加热和焊接应用的IGBT模块，以及超越FPS功率范围的首款电源模块都已开始供货，更多相关产品也将陆续推出。

      改进电源子系统中最关键的技术水平是可行的。开发新的技术并确保它在所有可能环境中都能有效工作可能还需要好几年的时间与数百万的资金，这可是一项艰巨的任务，但却是值得的，因为越来越多的产品开始关注节能，为终端用户节省成本，并且保护地球资源。您说开关还只是一个小小的开关吗?