功率MOSFET應(yīng)用發(fā)展趨勢
功率MOSFET有著各種各樣的應(yīng)用，如電源管理、交流-直流電源轉(zhuǎn)換、直流-直流電源轉(zhuǎn)換、UPS、電機(jī)驅(qū)動、汽車電子、數(shù)字音頻功效以及在LCD、PDP方面的應(yīng)用等。不同的應(yīng)用對于MOSFET的工作頻率和漏-源電壓有不同的要求。

瑞薩開發(fā)的移動電源充電器的交流適配器，它的關(guān)鍵器件是用在源邊的功率MOSFET RJK6022DJE，器件的電壓可達(dá)600V。

對于用于大功率級的交流適配器，就高端的筆記本電腦來說，其功率高達(dá)90 150W。這種情形下，高的轉(zhuǎn)換效率是非常重要的。為此瑞薩在設(shè)計(jì)上采用了MOS同步整流器和更復(fù)雜的源邊電路，這種電路在輸出功率100W、整流電流7A時，效率可達(dá)90%。將MOS整流器與普通SBD整流器兩者在整流損耗性能上進(jìn)行比較，可以看出SBD整流損耗為3.0，MOS為0.61，大大少于前者。

功率MOSFET除了用在充電器的交流適配器中，還用在諸如筆記本電腦系統(tǒng)的內(nèi)部，一是用于鋰離子電池塊中，二是用在電腦電源的直流-直流轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生多樣電流電壓的電路中。

按照筆記本電腦CPU內(nèi)供電趨向低電壓和大電流、系統(tǒng)趨向高功能智能化性能的基本發(fā)展趨勢，系統(tǒng)功耗會變得很大，電流也會大大增加。這就需要交流適配器具有大功率容量。另外，鋰離子電池的電流也會急劇增大。所有這些要求都需要由低功耗的功率MOSFET來滿足。

瑞薩MOSFET開發(fā)新進(jìn)展

這里來研究電源管理開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。功率MOSFET用作鋰離子電池電源管理開關(guān)時，重要的參數(shù)是漏-源之間的導(dǎo)通電阻RDS(on)，這個電阻越小越好。從P溝道MOSFET的發(fā)展進(jìn)程來看，從1998年至今，該類產(chǎn)品已從第六代發(fā)展到第八代產(chǎn)品，并正在計(jì)劃第九代產(chǎn)品，其RDS(on)的值是逐漸降低的。

瑞薩公司的新型P溝道MOSFET開發(fā)計(jì)劃面向鋰離子電池塊、選擇開關(guān)、筆記本電腦和其他電池設(shè)備的充電器等方面的應(yīng)用，產(chǎn)品特點(diǎn)是超低RDS(on)。 瑞薩還推出了新的LFPAK封裝形式，其特點(diǎn)為低電阻、低熱阻、低電感；與SOP-8腳封裝兼容；超薄，厚度僅為1.1mm，無鉛。LFPAK封裝有助于降低RDS(on)。如HAT1125H產(chǎn)品就是采用這種封裝，它的RDS(on)為2.7m 。
將LFPAK封裝與SOP-8封裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)對比，前者的封裝結(jié)構(gòu)更緊湊。從封裝特性上看，LFPAK封裝在封裝電阻、厚度、熱阻、電感等方面均明顯優(yōu)于SOP-8。

針對小型化的發(fā)展需要，瑞薩實(shí)施了開發(fā)2合1芯片LFPAK的計(jì)劃，該產(chǎn)品的特點(diǎn)是：（1）將充電和放電兩部分合在一個芯片內(nèi)，這樣電池板可以做得更小更薄。（2）獲得低的RDS(on)，具體為7.5m ，以及低的熱阻。

2合1芯片WPAK封裝的特性為：

（1）超薄封裝，厚度僅為0.8mm，是SOP-8的54%。（2）低熱阻。
以筆記本電腦電池管理為例進(jìn)行說明。在鋰離子電池的管理中，原來使用SOP-8封裝的HAT1048R要用4片，現(xiàn)在改用LFPAK封裝的HAT1125H只要2片。這樣使得整個鋰離子電池和筆記本電腦做得更小更薄。

瑞薩MOSFET器件性能評估

對于高端的電源充電器也即轉(zhuǎn)換充電器應(yīng)用，要求功率MOSFET有以下特點(diǎn)：（1）高效率，以便做到低耗能。（2）大電流，以便快速充電。（3）小而薄的封裝，以便做到小尺寸。

從快速充電器的基本電路構(gòu)成上看，電路中要用到上下兩個功率MOSFET，稱之為上部和下部。在高端應(yīng)用中，瑞薩采用上下兩個N溝道管子。在中檔應(yīng)用中，上下兩部分別采用N溝道和P溝道管子。
下面來研究與快速充電器電路有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。關(guān)心的是漏-源導(dǎo)通電阻RDS(on)，與之相關(guān)重要參數(shù)有（1）低的柵-漏電荷Qgd，有利于低的RDS(on)；（2）低的柵極電阻Rg，有利于低的Qgd；（3）應(yīng)該對下部的門限電壓優(yōu)化。

低的Qgd有利于獲得高的效率。這里用Maxim1717實(shí)驗(yàn)板在頻率300kH z、輸出電壓1.6V、輸出電流10A的條件下進(jìn)行測試，上部電路固定為HAT20682，下部電路用3種不同Ron/Qgd比值的HAT20682。HAT20682屬于D7-L類型。在Qgd為5.0nC的情況下，效率。
降低柵極電阻Rg有利于提高工作頻率和開關(guān)損耗，仍用Maxim1717實(shí)驗(yàn)板，測試條件為Vin為12V、f為300kHz和1MHz。測試結(jié)果，Rg變大時，效率變低。

優(yōu)化門限電壓Vth有兩個目的，一是避免誤開通，二是提高效率，降低損耗。安排上部固定為HAT2168H，下部用具有三種不同Vth值的HAT2165H和HAT2265H。實(shí)驗(yàn)板仍是Maxim1717。測試條件是Vout=1.3V、Iout=10A，f=1MHz。從測試結(jié)果看，不同的Vth有不同的效率曲線，需要找出一個效率曲線，即得到優(yōu)化的Vth。

從封裝上看，D8-L系列與以往的D7-L系列產(chǎn)品在性能上有明顯優(yōu)勢。這里把Ron和Qgd作為品質(zhì)因數(shù)即MOM來考察。在VDSS為30V、柵-源電壓Vgs為4.5V的條件下，D8-L系列的MOM從D7-L的65毫歐nC下降到24毫歐nC，改進(jìn)了接近63%。
將D8系列與D7系列產(chǎn)品在效率上進(jìn)行比較，仍用Maxim1717作實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行測試，D8系列產(chǎn)品其效率明顯要高。

瑞薩MOSFET器件應(yīng)用

1.用于快速充電器的產(chǎn)品性能。

2.用于快速充電器的WPAK封裝產(chǎn)品系列，其特點(diǎn)是超薄封裝，厚度僅0.8mm。

3. 把上部電路和帶SBD二極管的下部電路結(jié)合在一起的例子。這類復(fù)合產(chǎn)品的特點(diǎn)是：上部的MOS電路是低Qgd/高速切換、低Ron；下部的MOS電路內(nèi)置有SBD二極管。封裝形式可以是WPAK或SOP-8。其應(yīng)用主要為筆記本電腦DC /DC轉(zhuǎn)換，輸出電流為2 3A。