提升輕負載和高頻率下DC/DC的轉換效率

　　為幫助提高DC/DC在更輕負載和更高頻率下的轉換效率，可以將肖特基二極管集成到MOSFET芯片中，構成單個封裝，以降低BUCK變換器電路低壓側開關的功耗。此外，如果將這兩種元件結合到一個單塊芯片上，則MOSFET的額定RDS(on)更低，并且能節省空間。負載點（POL）、直流-直流轉換以及穩壓模塊都是計算機和固定電信市場功率管理應用的構成部分，這些市場正促進著對能提高效率且性能更高的MOSFET的需求。

　　達到這一目標的一個特別有益的方法就是改善輕負載下的效率。這一點很重要，原因是大多數服務器和筆記本電腦在大多數開機時間內都不是處于最大負載，就是說，一般情況下對CPU要求都不高，吸入電流比系統能夠承受的最大IOUT 要小得多。對服務器系統，最大電流水平可能大于120 A，但在正常工作情況下，吸入電流降到20 A～40 A范圍。對于一、兩個服務器，這種低效率工作或許不怎么影響用戶的電費，但如果一個大型公司的所有服務器或者一個服務器倉內的所有服務器加起來，影響可能相當大。隨著能源成本的上升，與以往相比，用效率更高的MOSFET降低功耗正在引起更大的興趣。

　　提高效率的第二個方面是針對500 kHz及以上頻率下的功耗。隨著POL變換器尺寸的縮小以及超便攜個人電腦（UMPC）使用更加廣泛，增加切換頻率將成為一種最大程度地減小功率轉換電路尺寸的策略。但如果直流-直流元件（如MOSFET）沒有相應優化，在更高頻率下，效率水平可能顯著降低。設計為應對250 kHz 典型母板頻率的MOSFET用于這類POL應用可能并不理想。因此，頻率增加后，降低整個負載范圍內的功耗變得比以前重要得多。

　　器件性能提高

　　肖特基二極管與MOSFET集成后，主要在兩方面提高了器件的性能。第一種是，與MOSFET體二極管相比，增加的是肖特基二極管，因此總反向恢復電荷（QRR）減少了。在BUCK變換器電路中，在高壓側MOSFET導通時，一反向恢復電流從輸入源（VIN）流過高壓側MOSFET，也流過低壓側MOSFET體二極管和集成的肖特基二極管。這一過程中，低壓側MOSFET的功率損耗為VIN ? QRR ? fSW。因此，QRR的減少相應降低了功耗，降低的程度與切換頻率的增加成比例。

　　第二種性能提高是，肖特基二極管的正向壓降（VF）比MOSFET本征體二極管的壓降要小得多。集成了肖特基二極管后，器件的典型正向壓降為0.44 V，與之相比，標準MOSFET的則為0.72 V，降低了38 %。這樣，對BUCK 變換器應用，MOSFET在死區時間（即兩個二極管都截止與主電感電流流過肖特基二極管而非MOSFET體二極管之間的間隔）截止狀態的功耗（P = VI）顯著降低。

　　體二極管和肖特基二極管之間電流分布分析

　　在小電流工作期間，肖特基二極管能夠應對系統中的總電感電流，避免MOSFET體二極管導通。因此，體二極管不會引起反向恢復損耗，而肖特基二極管的反向恢復電荷理論上為零，產生的損耗很小。大電流工作時，肖特基二極管處理大部分電感電流，但不能處理全部電感電流，不能處理的電流部分流過MOSFET體二極管。集成器件的額定QRR不為零的原因就在于此。

　　下面兩個曲線以TJ=25°C為例說明出現的情況。圖1是標準溝道式MOSFET體二極管的VF 特性，3 A時VF 為0.72 V。圖2是帶集成肖特基二極管的MOSFET 的VF 特性，3 A時VF 為0.49 V，來自肖特基二極管的VF。這就是為什么輕負載下效率有提高。不過，電流一旦增加到10 A，VF則變為0.72 V，與這時為導通狀態的MOSFET體二極管的類似。在10 A情況下，可以估算出大約有7 A電流流過肖特基二極管，有3 A電流流過體二極管。因此，在重負載下，只要大部分電流流過肖特基二極管，效率水平就會提高。

　　圖1 ：標準溝道MOSFET的VF 特性

　　圖2：帶集成肖特基二極管的MOSFET 的VF特性

　　圖3:300 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲線

　　圖4 ：550 KHz下SI4642DY SkyFET的效率曲線。

　　應用性能得到增強

　　考慮帶SI4642DY SkyFET的簡單BUCK變換器應用的效率提高，SI4642DY SkyFET是一種集成了肖特基二極管用作低壓側開關的30V MOSFET。在VIN 為19 V，VOUT 為1.3 V時，與標準筆記本電腦電源拓撲類似，用一個標準高壓側MOSFET來估算低壓側開關的性能。估算中，使用了一個高壓側MOSFET和兩個低壓側MOSFET。兩個器件都加上4.5 V的柵極驅動電壓。與業界標準溝道MOSFET相比，集成器件在輕負載下性能更好。當頻率從300 KHz增加到550 KHz時，這一提高更大。在300 KHz下，性能提高約2 %，在550 KHz下，性能提高約4 %。兩種MOSFET的額定rDS(on)相似。

　　因此，SI4642DY SkyFET技術利用了MOSFET芯片上集成肖特基二極管的優點來平衡MOSFET本征體二極管的局限。最終結果是，系統（諸如服務器、筆記本以及VRM）的功耗得以降低。