提高笔记本电脑效率的解决方案

 挑战：

笔记本电脑将寻求提高效率以符合能源之星 (Energy Star) 的要求。客户要求笔记本电脑的外形尺寸越来越小，这就需要更小的电源设计来配合空间约束条件。业界正在进行多项研究，如选择合适的MOSFET；采用不同的自适应MOSFET栅极驱动器方案；以及提高开关频率以优化效率。本文会讨论MOSFET参数可如何影响性能，并提供改进的“自适应”MOSFET栅极驱动器的创新理念，能够提高DC/DC转换器的效率，在较高的开关频率下实现最佳运作。

由于便携式电脑很大部分时间处于负载较小的状态，如闲置或睡眠状态，将轻负载状态下的功率损耗保持在最低限度，对于节能和延长电池寿命至关重要。这也正在成为笔记本电脑获得能源之星标签的基本条件之一。目标仍然是通过改善整个负载范围的效率来延长电池寿命及减小外形尺寸。

解决方案：

许多硅产品的设计进步都有助于提高效率，飞兆半导体的SyncFETTM技术便增加了一个掺杂肖特基二极管，与MOSFET固有的体二极管并联。肖特基二极管的Vsd (正向电压) 较低，降低了死区期间的功耗。此外，SyncFET具有较低的反向恢复电荷，能够降低高边MOSFET在最初开启期间的功耗。详细查看不同的MOSFET参数可如何最大限度地减小击穿和不必要的功耗。封装改进包括降低封装电阻和寄生电感。较低的电阻和电感意味着较低的热阻 (Rtheta jc)，能够利用较高的开关频率。某些MOSFET制造商使用clip技术替代线粘合，可将封装阻抗降低约1mΩ，在硅器件尺寸受限于封装内的小闸门 (paddle) 尺寸或有限的RDS(ON)硅几何尺寸时，功效非常显著。除了硅产品进步之外，MOSFET的封装选择在热性能和尺寸方面均有所改进。

数年来，新的技术和制造工艺使得半导体行业能够为电源行业提供更好的解决方案，并努力减小电源的尺寸。这些解决方案是MCM (多芯片模块，如DrMos) 或单片解决方案，在硅芯片中集成了驱动器和MOSFET，两种器件均可有效地减小驱动器和MOSFET之间的连接寄生电感，实现更好的驱动器性能、栅极电荷、RDS(ON)及功率管理的协作，并有可能控制MHz范围的更高开关频率运作。对于这些在高开关频率下最优工作的器件，SyncFET的体二极管正向电压降的总体功耗、反向恢复电荷和驱动器的死区时间必须加以限制。这意味着使用或修改可在DrMos范围内最佳匹配所选择MOSFET的驱动器。

达到高转换效率是最大限度地减小电源设计尺寸的基础，在DC/DC降压稳压器设计中，通常选择使用低导通阻抗 (RDS(ON)) MOSFET作为同步MOSFET，这是一个很好的选择。由于 (RDS(ON))  和Qg是反向关系，在试图优化从轻负载到重负载范围的效率时，这成为一个设计折衷。较高的栅极电荷意味着较高的开关损耗和驱动器损耗。这成为决定轻负载下DC/DC稳压器总体功耗的主要因素，在整个负载范围获得较好效率也依赖于正确的功率管理和稳压器的控制。

几种功率管理和控制技术用于达到更高的效率。一种常用技术是确保电感电流在轻负载下永不负向摆动，因而在电路的反向方向上没有电流流动。自适应栅极驱动器控制能够最大限度地减小同步MOSFET和控制FET之间的开关转换的死区时间，这是另一个降低转换期间与同步MOSFET体二极管相关能量损耗的有效方法。研究显示，相比采用一种驱动电压，使用可变电压来驱动不同负载状况下的MOSFET开关，能够达到在整个负载范围内更好的效率。在轻负载下栅极驱动电压较低，在重负载下栅极驱动电压较高，这是提高效率所需要的。由于开关频率提高了，要限制驱动器损耗便需降低栅极驱动电压。通过相位节点的振幅来监测负载电流，或者在不同的负载状况下改变频率 (频率减小)，能够协助优化轻负载和重负载两种状况下的效率。

使用笔记本电脑同步整流降压MOSFET驱动器和采用5 x 6mm MLP封装的双N通道PowerTrench® MOSFET 进行测试，并用于5V输出10A稳压器。开关频率在300kHz和600kHz之间变化 (增量为100kHz)，并在输入电压为8V、12V和20V时测试。结果显示，对于5VCC MOSFET驱动器，每100kHz增量能够产生约15mW的额外功耗。在输入电压随负载和频率在8V至20V之间变化时，MOSFET的功耗将增加30mW 至80mW。

图中文字：效率(驱动器和fet损耗)对比负载

结论

业界普遍认为轻负载下的高效率意味着牺牲高负载下的效率，实际上，如果设计人员选择注重动态和开关特性的MOSFET，便能够在两种负载状况下取得较高的效率。由于最主流的MOSFET驱动器具有固定的死区时间和栅极驱动电压，难以优化，在所有的负载和开关频率条件下达到最高的效率非常困难。为了在较高的开关频率下工作，MOSFET和驱动器供应商将研究结果 (不同的栅极驱动电压、最大限度地减小产品的死区时间和体二极管正向电压传导损耗) 加入到真实的产品中。使用集成的MOSFET和驱动器，有可能推动传统设计的开关频率超过600kHz，并减小设计的总体占位面积。

提高笔记本电脑和其它便携式设备的功率转换效率是一个综合的过程，包括元件供应、空间限制、集成度、功率管理和成本。