瑞薩用于電池充電器的功率MOSFET

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作者：時間：2007-01-26 來源：《世界電子元器件》

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功率mosfet應用發(fā)展趨勢
功率mosfet有著各種各樣的應用，如電源管理、交流-直流電源轉換、直流-直流電源轉換、ups、電機驅動、汽車電子、數(shù)字音頻功效以及在lcd、pdp方面的應用等。不同的應用對于mosfet的工作頻率和漏-源電壓有不同的要求。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/20644.htm

瑞薩開發(fā)的移動電源充電器的交流適配器，它的關鍵器件是用在源邊的功率mosfet rjk6022dje，器件的電壓可達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90 150w。這種情形下，高的轉換效率是非常重要的。為此瑞薩在設計上采用了mos同步整流器和更復雜的源邊電路，這種電路在輸出功率100w、整流電流7a時，效率可達90%。將mos整流器與普通sbd整流器兩者在整流損耗性能上進行比較，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)新進展

這里來研究電源管理開關的關鍵參數(shù)。功率mosfet用作鋰離子電池電源管理開關時，最重要的參數(shù)是漏-源之間的導通電阻rds(on)，這個電阻越小越好。從p溝道m(xù)osfet的發(fā)展進程來看，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m(xù)osfet開發(fā)計劃面向鋰離子電池塊、選擇開關、筆記本電腦和其他電池設備的充電器等方面的應用，產(chǎn)品特點是超低rds(on)。瑞薩還推出了新的lfpak封裝形式，其特點為低電阻、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封裝進行結構對比，前者的封裝結構更緊湊。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，瑞薩實施了開發(fā)2合1芯片lfpak的計劃，該產(chǎn)品的特點是：（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換充電器應用，要求功率mosfet有以下特點：（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。在高端應用中，瑞薩采用上下兩個n溝道管子。在中檔應用中，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的關鍵參數(shù)。最關心的是漏-源導通電阻rds(on)，與之相關重要參數(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實驗板在頻率300kh z、輸出電壓1.6v、輸出電流10a的條件下進行測試，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。在最低qgd為5.0nc的情況下，效率最高。
降低柵極電阻rg有利于提高工作頻率和開關損耗，仍用maxim1717實驗板，測試條件為vin為12v、f為300khz和1mhz。測試結果，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。實驗板仍是maxim1717。測試條件是vout=1.3v、iout=10a，f=1mhz。從測試結果看，不同的vth有不同的效率曲線，需要找出一個最高效率曲線，即得到優(yōu)化的vth。