超级接面功率MOSFET结构 有效提升系统效率和功率密度

通过对同步交流对交流(DC-DC)转换器的功耗机制进行详细分析，可以界定必须要改进的关键金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)参数，进而确保持续提升系统效率和功率密度。

分析显示，在研发功率MOSFET技术的过程中，以往常见以QG和QGD(即RDS(on)×QG和RDS(on)×QGD)为基础的因子(FOM)已无法满足需求，若坚持采用固定因子，将可能导致技术选择无法达成优化。通过此次分析的启示，工程师们已定义一套FOM以应用于新的低压功率MOSFET技术研发。由此产生的30伏特(V)技术以超级接面(Superjunction)为基础概念，是DC-DC转换器的理想选择；相较于横向和分裂闸极沟槽MOSFET等竞争技术，该技术可同时提供特定的低RDS(on)、QG、QGD、QOSS和高度闸极回跳抑制。

MOSFET损耗问题加剧　催生新功耗分析技术 

多相同步降压转换器是微控制器(MCU)以及其他运算密集型集成电路(IC)，如数字信号处理器(DSP)和绘图处理器(GPU)供电的拓扑结构选择。在同步降压转换器内，两个功率MOSFET串联形成半桥结构。高处的MOSFET做为控制单结型FET；低处的MOSFET则为同步FET。 

此电路拓扑演变的关键点在于2000年时，引进Pentium 4微处理器以及相关的ATX12V电源规范，其中的功率轨(即转换电压)从5伏特提高至12伏特，以达成微处理器需要快速增加电流的要求。因此而产生的工作周期变化使得功率MOSFET在性能优化方面发生重大变革，并全面采用QGD×RDS(on)和QG×RDS(on)等效益指数作为功率MOSFET的性能指针。然而，过去10年以来，特定尺寸产品中此类FOM和RDS(on)已降低约十倍，QG和QGD已不再是影响功率MOSFET功耗的主要因素。 

就控制FET而言，MOSFET封装和印刷电路板(PCB)联机的寄生电感所产生的功耗可能超过由QGD产生的损耗。降低寄生电感的需求推动Power SO8封装的普及化，并使整合动力的概念于2002年产生，即将控制和同步FET与MOSFET驱动器整合于四方形平面无接脚封装(QFN)中，此概念于2004年获英特尔(Intel)DrMOS规范采用。 

为解决功率MOSFET多面性的损耗问题，一系列日趋复杂的运算方式和效益指数逐被提出。在功耗机制研究领域中，最被看好的技术是利用如TSuprem4和Medici等TCAD工具制作详细的行为模型，并结合详细的电路仿真(如PSpice)，进而产生详细的功耗分析结果。虽然此方法可针对不同的功耗机制进行深入分析，但分析结果需转换成一套以MOSFET参数为基础的FOM，以用于新技术的研发。 

确认效益因子有助技术优化 

为使DC-DC转换中采用的MOSFET技术达成优化，首先需确定对目标应用的性能造成影响的关键组件参数为何。通过功耗机制分析得出的这些参数通常为一组关键效益因子(性能指针)，在确认任何效益因子的有效性为实际限值(如可用尺寸和成本)时，功耗分析所采用的假设前提相当重要。表1列出了用于新的功率MOSFET技术研发的FOM。

前三项性能指针已广泛用于评估技术的适用性，因此无需多作介绍，其仅用于告知设计工程师需尽可能减少单位面积上的RDS(on)值(即Sp.RDS(on))，以确保芯片在有限的封装尺寸内达成最高的功效。且对于特定的RDS(on)，要尽量降低MOSFET电容CGS和CGD，以达成最低开关损耗。  

第四个FOM为COSS，与降低输出电容有关，其重要性将逐渐增加。原因来自两方面：第一，同步FET的闸极电荷损失已大幅降低，输出电容充放电时产生的电荷损耗水平已大致相当。第二，控制FET的QGD相当微小，以致于影响电压升降时间的因素为电路电感对输出电容进行充电的时间，而非电路提供所需闸控充电的能力。在此请特别注意，表1中未列出储存电荷Qrr，并非Qrr可忽略不计，而是因为采用与上述降低Sp.RDS(on)相同的技术使其获得改善，此技术包含提高单元密度(导因于本体偏置效应)和削减漂移区块等。 

设计一款高性能MOSFET需在特定的参数之间做出权衡。例如，欲改善RDS(on)×QGD，可通过加大单元间距、牺牲Sp.RDS(on)而完成，还可通过增加一个连接源极的闸极屏蔽、牺牲RDS(on)×QOSS而完成。为避免产生不符理想的组件结构，需综合这些FOM。此概念已被应用于生产综合加权同步FET(FET CWS)FOM，即综合考虑闸极电荷和输出电容功耗的效应。此种FOM组合有助于对组件性能做出更精确的评估，此外，通过将转换电压和闸极驱动电压(VIN和VDR)合并后，QG和QOSS的相对重要性取决于应用方式，进而确保改善后的闸极电荷不会对输出电容产生不利影响，反之亦然。 

表2列出针对Power SO8和QFN3333封装的ACS FOM。对于Power SO8来说，分裂闸技术的ACS FOM最低，代表其最佳性能最易于达成。但由于CWS FOM值为最大(图3)，因此，并非最佳的技术选择。值得注意的是，虽然分裂闸结构的开关FOM不如横向技术，但由于横向技术的Sp.RDS(on)较差，因此无法充分利用其开关FOM方面的优势。相反，在这三项技术中，超级接面结构同时拥有最低的Sp.Rds(on)和CWS FOM，因而能够在所需芯片面积内发挥最佳性能。当采用更小的QFN3333封装时，这些技术均无法发挥其最佳性能(三者的ACS FOM>1)。然而，图4所示的结构中，明确标示出需要进一步降低Sp.RDS(on)，尽管这样做可能导致开关FOM变差，详见分裂闸技术和横向技术针对面积小于4平方毫米应用的对比。  

超级接面功率MOSFET损耗低

为展现超级接面功率MOSFET结构的优点，可对系统效率进行测量，并将测量结果与超级接面组件和芯片尺寸相似的场平衡结构组件做比较，工作频率为500kHz和1MHz、电压从12伏特转换为1.2伏特(图6)。当二者的芯片尺寸相同时，前者的导通状态损耗优于后者。当工作频率为500kHz和1MHz时，在30安培全负载和低负载条件下，系统效率均提高2%。超级接面芯片尺寸无论大小，均有可能出现下列情形，如重负载条件下的效率提升会牺牲轻负载效率，而轻负载条件的系统效率提升会牺牲重负载效率。采用RDS(on)较高的控制FET可能会改善效率，因为QGD降低所带来的益处大于RDS(on)升高所带来的坏处。

图6 超级接面技术与场平衡(FB)技术的效率测量结果对比，电压为12V转换至1.2V。

从上述中可知，控制FET的开关速度可能会受到QGD以外的其他因素限制。可从图7明显看出，低RDS(on)同步FET(PSMN1R2-30YLC)与中等RDS(on)同步FET(PSMN4R5-30YLC)的开关波形的比较。在这两个例子中，PSMN4R5-30YLC均作为控制FET。可明显地看出，开关节点(即控制FET和同步FET形成的半桥中点)的上升时间与控制FET无关。换言之，开关节点电压上升所导致的导通损耗不再受控制FET的QGD限制。

图7 PSMN4R5-30YLC和PSMN1R2-30YLC在导通和断开时的开关节点波形(即同步FET的VDS)

本例中的限制因素为电路通过寄生电感为同步FET的输出电容充电所需要的时间。结果显示使用者必须更加重视降低QOSS，而非CWS FOM隐含的值。断开操作是控制FET功耗最集中的时候，此时低RDS(on)和中等RDS(on) MOSFET的开关节点电压压降几乎是没有差别，这表示开关时间仍然受高侧组件的QGD影响。由于闸极电流比较低，且MOSFET闸极电阻具有内部分配性，控制FET的断开速度通常较慢于导通速度。因此控制FET极可能是决定组件断开时开关速度的影响因素。  

在评估DC-DC转换的功率MOSFET性能时，不能仅考虑QG和QGD两个数值，因为近年来这些数值的降低，以致于必须考虑其他功耗机制。针对达成同步FET的性能优化，开发出两种新的FOM，分别是CWS FOM，综合了输出电荷效应(QOSS)，以及考虑芯片尺寸限制的ACS FOM。 

新的FOM被用于分析三种不同的功率MOSFET结构。结果显示最近开发的低压超级接面结构可完美结合低RDS(on)、低QG和低QGD等特性，其性能优于横向和分裂闸等竞争产品结构。此外，随着封装尺寸缩小，ACS FOM亦显示出在功率MOSFET设计中，牺牲Sp.RDS(on)以改善开关频率并非为最佳策略。