瑞薩用于電池充電器的功率MOSFET
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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(zhuǎn)換效率是非常重要的。為此瑞薩在設(shè)計上采用了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(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，最重要的參數(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(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(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(zhuǎn)換充電器應(yīng)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(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)。最關(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(guān)損耗，仍用maxim1717實驗板，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。實驗板仍是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，需要找出一個最高效率曲線，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，改進了接近63%。
將d8系列與d7系列產(chǎn)品在效率上進行比較，仍用maxim1717作實驗板進行測試，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，其特點是超薄封裝，厚度最大僅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。
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