CE系列高壓MOSFET：專為消費(fèi)類電子和照明而生 - 全文

　　摘要： 英飛凌CE系列CoolMOS 是英飛凌公司專為消費(fèi)類電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品推出的高壓功率MOSFET。該系列MOSFET基于英飛凌超級(jí)結(jié)技術(shù)平臺(tái)，性能出色；而該系列經(jīng)過成本優(yōu)化，極佳的性價(jià)比保證其在消費(fèi)和照明這類價(jià)格極其敏感的產(chǎn)品市場(chǎng)中依然具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。本文通過CE系列MOSFET在充電器和LED球泡燈上的應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該系列產(chǎn)品的優(yōu)異性能。

　　前言

　　現(xiàn)代科技的進(jìn)步使得消費(fèi)類電子產(chǎn)品層出不窮，智能手機(jī)，平板電腦，電子閱讀器，LCD/LED電視，筆記本電腦等產(chǎn)品已經(jīng)大量普及，可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)，智能家居等新產(chǎn)品，新互聯(lián)理念方興未艾。與此同時(shí)功率電力電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使得新型照明產(chǎn)品-LED燈深入千家萬戶。LED燈具有高效節(jié)能，光轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保，色彩豐富等特點(diǎn)，因此已經(jīng)逐漸取代鎢絲燈，熒光燈等傳統(tǒng)光源。相應(yīng)地國內(nèi)，國際相關(guān)組織及協(xié)會(huì)對(duì)于這些電子產(chǎn)品的電源轉(zhuǎn)換效率，EMI等特性越來越關(guān)注，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，這對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。如何設(shè)計(jì)這類電源轉(zhuǎn)換裝置確保性能滿足要求同時(shí)價(jià)格低廉成為設(shè)計(jì)者最大的挑戰(zhàn)。

　　英飛凌產(chǎn)品解決方案

　　英飛凌科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱英飛凌）作為全球技術(shù)領(lǐng)先的半導(dǎo)體和功率電子綜合解決方案公司，已經(jīng)意識(shí)到以上技術(shù)趨勢(shì)及對(duì)設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)。從2011年開始陸續(xù)推出了針對(duì)此類應(yīng)用的 CE系列CoolMOS（英飛凌高壓MOSFET注冊(cè)商標(biāo)）及ICL8001/02G，ICB2FL01/02/03G，BCR，ILD系列LED燈控制IC及照明IC。作為核心的功率控制開關(guān)，CE系列CoolMOS以其優(yōu)異的性能和極佳的性價(jià)比，迅速獲得業(yè)界的認(rèn)可。同時(shí)通過CE系列CoolMOS與控制IC的完美結(jié)合，英飛凌的綜合解決方案也在業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。

　　圖1為CE系列CoolMOS產(chǎn)品概況，耐壓范圍涵蓋500V，600V，650V及800V，是英飛凌CoolMOS系列中電壓范圍最寬的產(chǎn)品之一。直流導(dǎo)通電阻范圍為0.19歐姆至3歐姆，以滿足不同的功率等級(jí)及應(yīng)用場(chǎng)景需要。CE系列CoolMOS適合的應(yīng)用領(lǐng)域包括適配器/充電器，計(jì)算機(jī)及服務(wù)器電源，電視電源，LED燈驅(qū)動(dòng)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品及照明產(chǎn)品，而其適用的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)錁O多，包括硬開關(guān)反激，準(zhǔn)諧振反激，PFC電路，雙管正激及LLC等軟開關(guān)拓?fù)?，這給電源轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)者以極大的便利：可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定不同的電路方案，而功率開關(guān)卻只需限定一種即可。

　　圖1 CE系列CoolMOS概況

　　CE系列CoolMOS基于英飛凌超級(jí)結(jié)（superjunction）技術(shù)平臺(tái)開發(fā)，而目前市場(chǎng)上多數(shù)應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品的功率MOSFET技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)MOSFET技術(shù)。超級(jí)結(jié)技術(shù)相比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET技術(shù)，在多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

　　1. RDS（on）（漏源導(dǎo)通電阻）更低，導(dǎo)通損耗更低。 圖2為傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)MOS與CoolMOS在不同漏源耐壓等級(jí)下漏源導(dǎo)通電阻與芯片面積積（RDS（on）×A）（在相同的芯片面積下等效于漏源導(dǎo)通電阻）對(duì)比情況，同時(shí)也給出了采用傳統(tǒng)技術(shù)的“硅極限”曲線。從圖中可知，采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工藝的MOS其漏源導(dǎo)通電阻隨著耐壓的增加而迅速增加，且無法小于理論的“硅極限”，而采用超級(jí)結(jié)技術(shù)的CoolMOS產(chǎn)品不但漏源導(dǎo)通電阻與芯片面積積遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)MOS及“硅極限”，而且基本不隨耐壓等級(jí)的上升而上升，因此CoolMOS在相同芯片面積下直流導(dǎo)通電阻更小，而相同直流導(dǎo)通電阻下芯片面積更小，即成本更低。

　　2. 寄生電容（Ciss，Crss，Coss）更低，開關(guān)特性更好，損耗更低。圖3顯示了CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）與漏源導(dǎo)通電阻接近的標(biāo)準(zhǔn)MOSFET在寄生電容上的對(duì)比情況，圖中實(shí)線為CE系列CoolMOS，虛線為標(biāo)準(zhǔn)MOSFET，從圖中可知CE系列CoolMOS的三個(gè)寄生電容Ciss（等效輸入電容），Crss（等效轉(zhuǎn)移電容/米勒電容）及Coss（等效輸出電容）都小于相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的電容。CE系列CoolMOS之所以有更低的寄生電容，同樣是因?yàn)椴捎昧顺?jí)結(jié)技術(shù)。由圖2可知，在漏源導(dǎo)通電阻接近的情況下，采用超級(jí)結(jié)技術(shù)MOSFET的芯片尺寸更小，那么相應(yīng)地寄生電容也更小。更小的Ciss和Coss確保驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗更低；更小的Crss使得MOSFET門極振蕩更小，可靠性更高，EMI特性更好。

　　3. 門極電荷更小，驅(qū)動(dòng)損耗更低，開關(guān)速度更快。圖4為CE系列CoolMOS與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET門極電荷隨漏源導(dǎo)通電阻變化的對(duì)比，由圖可知CE系列CoolMOS在不同漏源導(dǎo)通電阻下的門極電荷都低于標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的門極電荷，平均低40%左右。門極電荷更小，意味著相同驅(qū)動(dòng)電壓和頻率下驅(qū)動(dòng)損耗更??；相同驅(qū)動(dòng)電流下MOSFET的開關(guān)速度更快；這都確保CE系列CoolMOS的損耗更低，效率更高。

　　4. 輸出電容存儲(chǔ)的能量更低，損耗更低。圖5為CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET輸出電容存儲(chǔ)能量Eoss對(duì)比情況。從圖可知在漏源電壓較高（>120V）情況下（對(duì)于高壓MOSFET，其漏源電壓不會(huì)低于120V，否則選擇高壓MOSFET就沒有任何意義）CE系列CoolMOS輸出電容存儲(chǔ)的能量低于標(biāo)準(zhǔn)MOSFET。由于輸出電容存儲(chǔ)的能量在MOSFET開通后以熱的形式損耗到MOSFET中，因此輸出電容存儲(chǔ)的能量越低，則MOSFET的損耗越低，效率越高。

　　圖2 不同耐壓下RDS（on）與芯片面積積對(duì)比

圖3 寄生電容對(duì)比

　　圖4 典型門極電荷對(duì)比

圖5 輸出電容存儲(chǔ)能量對(duì)比

　　從以上參數(shù)對(duì)比我們可以看出，CE系列CoolMOS相比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET在效率，可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。接下來我們通過在充電器和LED驅(qū)動(dòng)器上的應(yīng)用實(shí)例來驗(yàn)證CE系列CoolMOS的優(yōu)越性能。

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　　充電器案例

　　該案例為一款全球輸入范圍的15W充電器，主要規(guī)格如下：

　　表1 15W充電器主要規(guī)格

　　圖6所示為該充電器詳細(xì)的原理圖。該充電器采用反激同步整流方案，原邊控制芯片為英飛凌公司的準(zhǔn)諧振PMW電流模式控制芯片ICE2QS03G［1］，原邊主功率開關(guān)管為CE系列CoolMOS 650V 耐壓MOSFET IPS65R1K5CE［2］。副邊同步整流控制驅(qū)動(dòng)芯片為TI公司的UCC24610，同步整流MOSFET為英飛凌的OptiMOSTM （英飛凌中低壓（20V～250V）功率MOSFET品牌）系列中的BSC067N06LS3 G［3］。該充電器具有完整的啟動(dòng)及保護(hù)功能，包括軟啟動(dòng)，輕載下工作于burst模式，輔助電源過欠壓保護(hù)，輸出過載/開環(huán)保護(hù)，過溫保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)，可調(diào)整輸出過壓保護(hù)，副邊繞組短路保護(hù)等。

　　圖6 15W充電器原理圖

　　該充電器產(chǎn)品實(shí)物如圖7所示。

　　圖7 15W充電器實(shí)物圖

　　對(duì)該充電器進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試，結(jié)果如下：

　　1. 效率測(cè)試。根據(jù)圖8所示的結(jié)果， 115Vac輸入下的平均效率為89.05%，230Vac輸入下的平均效率為88.24%，滿足表1所示的規(guī)格要求。根據(jù)圖9所示的結(jié)果，115Vac輸入下10%負(fù)載效率為87.05%， 230Vac輸入下10%負(fù)載效率為85.08%，滿足規(guī)格要求。

　　圖8平均效率及滿載效率隨輸入變壓變化曲線

　　圖9 不同輸入電壓下效率隨負(fù)載變化曲線

　　2. 空載損耗。圖10為待機(jī)功耗（空載損耗）隨輸入電壓變換情況，在所有輸入電壓范圍內(nèi)空載損耗都小于40mW，滿足規(guī)格要求。

　　圖10 空載損耗隨輸入電壓變化曲線

　　3. 傳導(dǎo)噪聲測(cè)試。圖11和圖12分別為輸入電壓為115Vac和230Vac且滿載輸出下輸入火線和零線的傳導(dǎo)噪聲測(cè)試結(jié)果，傳導(dǎo)噪聲通過EN55022（CISPR22） Class B標(biāo)準(zhǔn)且準(zhǔn)峰值噪聲有超過8dB的裕量。

　　圖11 115Vac輸入滿載輸出時(shí)火線和零線傳導(dǎo)噪聲

　　圖12 230Vac輸入滿載輸出時(shí)火線和零線傳導(dǎo)噪聲

　　4. 溫度測(cè)試結(jié)果，圖13為85Vac輸入和265Vac輸入，滿載輸出情況下功率MOSFET IPS65R1K5CE溫升測(cè)試結(jié)果。在最低和最高輸入電壓下功率MOSFET的殼溫都小于90°C。

　　圖13 不同輸入電壓下溫度測(cè)試結(jié)果

　　從以上結(jié)果可知，采用英飛凌的CE系列CoolMOS及綜合解決方案設(shè)計(jì)的充電器，可以獲得極佳的性能，同時(shí)由于CE系列CoolMOS成本極具競(jìng)爭(zhēng)力，該方案也具有很高的性價(jià)比。

　　照明案例

　　接下來介紹CE系列CoolMOS產(chǎn)品應(yīng)用于LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器的案例。

　　該LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器的主要規(guī)格如下。

　　表2 LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器主要規(guī)格

　　該LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器采用反激拓?fù)?，主控芯片為英飛凌公司的準(zhǔn)諧振PWM控制芯片ICL8002G［4］，該芯片適合反激，Buck等不同拓?fù)洌ぷ饔跍?zhǔn)諧振方式，原邊控制模式，集成PFC及切相調(diào)光控制以及集成多個(gè)保護(hù)功能，非常適合于可調(diào)光LED燈等應(yīng)用。主控開關(guān)采用CE系列800V耐壓的功率MOSFET IPD80R2K8CE［5］。由于采用了先進(jìn)的控制方案，高效的轉(zhuǎn)換拓?fù)浜凸β势骷擈?qū)動(dòng)器具有平滑調(diào)光曲線及很高的調(diào)光能力，超過85%的高效率，非常高的功率因數(shù)及很低的THD（諧波因數(shù)），采用緊湊的單級(jí)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)PFC及功率轉(zhuǎn)換，原邊高精度控制以及多個(gè)保護(hù)功能，極低的BOM成本。該驅(qū)動(dòng)器原理圖如下圖所示。

　　圖14 11W LED 球泡燈驅(qū)動(dòng)器原理圖

　　LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物圖形如圖15所示。

　　圖15 11W LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

　　實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

　　1. 恒功率輸出測(cè)試。對(duì)于LED球泡燈應(yīng)用，由于LED燈的數(shù)量是固定的，因此輸出電壓的變化范圍很小，則恒功率輸出意味著輸出電流也是恒定的。圖16給出了該LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器輸出功率及輸出電流隨輸入電壓變化情況。由測(cè)試結(jié)果可知，輸出功率和輸出電流隨輸入電壓變化很小，實(shí)現(xiàn)恒功率和恒電流控制。

　　圖16 輸出功率及輸出電流隨輸入電壓變化曲線

　　2. 輸入波形測(cè)試。圖17所示為230Vac輸入，滿功率輸出時(shí)的輸入電流和輸入電壓波形，測(cè)試得到功率因數(shù)約為0.93，滿足規(guī)格要求。圖中綠色曲線為輸入電流波形，藍(lán)色曲線為輸入電壓波形。

　　圖17 滿載輸出時(shí)的輸入電壓和電流波形

　　3. 切相波形。圖18給出安裝有前沿切相調(diào)光器時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器的輸入電流（綠色波形），輸入電壓（藍(lán)色波形）及LED電流波形（黃色波形）。對(duì)于不同的調(diào)光器，該驅(qū)動(dòng)器范圍不同，最大有1%～100%的調(diào)光范圍（例如使用LUMEO/LICHTREGLER T10， TCL，HPM/400T等）。

　　圖18 安裝有切相調(diào)光器時(shí)的驅(qū)動(dòng)器輸入電流，輸入電壓及LED電流波形

　　4. 系統(tǒng)效率測(cè)試。圖19所示為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)效率隨輸入電壓變化的情況。由于采用高性能的控制IC及功率MOSFET，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)該驅(qū)動(dòng)器都有很高的效率（>84%）。

　　圖19 LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)效率隨輸入電壓變化曲線

　　5. 傳導(dǎo)噪聲測(cè)試。圖20所示為該LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器兩根輸入線（火線與零線）在230V輸入滿載輸出情況下的傳導(dǎo)噪聲測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為EN55015 B限值。從波形可知，該驅(qū)動(dòng)器輸入傳導(dǎo)噪聲可通過EN55015 B限值標(biāo)準(zhǔn)，且約有10dB的裕量。

　　圖20 LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器兩根輸入線（火線與零線）傳導(dǎo)噪聲測(cè)試波形

　　通過以上測(cè)試可知，采用英飛凌CE系列CoolMOS及綜合解決方案設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器，在效率，調(diào)光性，EMI等方面都有極高的性能，同樣地由于CE系列CoolMOS具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本使得該驅(qū)動(dòng)器綜合成本低，在市場(chǎng)是具有很高的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　總結(jié)

　　本文通過在充電器和LED球泡燈驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了英飛凌CE系列CoolMOS非常適合應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品上?；谟w凌超級(jí)結(jié)技術(shù)使得CE系列CoolMOS性能卓越，而定位于消費(fèi)類電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品應(yīng)用又保證了CE系列CoolMOS成本具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。綜上所述，英飛凌科技有限公司的CE系列CoolMOS是高性能消費(fèi)類電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品半導(dǎo)體最佳解決方案。

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