橫向/分裂閘/超級接面FOM比較 - 低壓超級接面結(jié)構(gòu)優(yōu)化MOSFET性能

　　采用QOSS與QG加權(quán)組合作為性能指標(biāo)的優(yōu)點如圖3所示，其中QG、QOSS及其組合分別針對三個不同的30伏特功率MOSFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)生RDS(on)函數(shù)。趨勢線的斜率反映不同的FOM。請注意：由于數(shù)據(jù)來自于資料手冊，因此數(shù)值包含封裝電阻。由圖3可知，相較于超級接面和分裂閘溝槽技術(shù)，橫向技術(shù)的QG更佳。由于超級接面結(jié)構(gòu)在元件閘極和連接源極的漏極遮罩電極間增加了CGS，因此QG值低于分裂閘技術(shù)。

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　　圖3 針對橫向/分裂閘/超級接面30V功率MOSEFT結(jié)構(gòu)的QG、QOSS和QG與QOSS加權(quán)組合(CWS FOM)的比較。

　　相較于采用表面漏極觸點的橫向元件而言，橫向結(jié)構(gòu)的基板與漏極連接，并在元件主體和基板間增加CDS元件，可產(chǎn)生較高的QOSS結(jié)構(gòu)。分裂閘結(jié)構(gòu)的QOSS值亦較高，因為其依賴漏源極電容的產(chǎn)生以遮罩閘極電極，達到低QGD和RDS(on)。而超級接面結(jié)構(gòu)毋須增加額外的CDS元件，因此可達成三種結(jié)構(gòu)中最低的QOSS值。

　　選擇功率MOSFET結(jié)構(gòu)的重要因素，在于考量該結(jié)構(gòu)是否有助于提高元件性能。若選用橫向或分裂閘結(jié)構(gòu)，須考慮在低側(cè)元件應(yīng)用中，是否值得為獲得低QGD和QG而犧牲QOSS性能。這些達成最佳化的結(jié)果如圖3下半部分所示，QOSS和QG使用5伏特閘極驅(qū)動電壓和12伏特轉(zhuǎn)換電壓進行組合。顯然對于同步FET而言，超級接面結(jié)構(gòu)因其固有的低QOSS而具備最佳的綜合性能。此結(jié)果表明，僅藉由達成最佳化已不足以獲得最低QG和QGD FOM。這種情況更足以證明，溝槽結(jié)構(gòu)中閘極電荷已降至相當(dāng)?shù)?，QG不再扮演低側(cè)元件開關(guān)損耗的主要因素。

　　對于同步FET方面，也必須要針對Sp.RDS(on)進行權(quán)衡和取舍，因為即便在高開關(guān)頻率下，導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗仍占大部分比例。圖4顯示不同技術(shù)下RDS(on)與晶片面積的關(guān)系。顯而易見，橫向結(jié)構(gòu)需要更大的晶片才得以獲得與溝槽結(jié)構(gòu)相同的RDS(on)。若觀察競爭對手產(chǎn)品的最低典型RDS(on)值(VGS=4.5伏特時)，將會發(fā)現(xiàn)，橫向技術(shù)可達成的最佳結(jié)果為1.4毫歐姆(mΩ)(CSD17312Q5)、分裂閘結(jié)構(gòu)可達成1.1毫歐姆(FDMS7650)，而超級接面結(jié)構(gòu)可達成1.1毫歐姆(PSMN1R0-30YLC)。就Sp.RDS(on)而言，競爭產(chǎn)品的基準顯示，當(dāng)VGS=4.5伏特時，橫向技術(shù)單位面積的RDS(on)值較超級接面技術(shù)和分裂閘技術(shù)的RDS(on)值高出60%。如圖3所示，由于晶片的尺寸不一，上述差異并未充分反映出實際上最低的RDS(on)值。請注意，CSD17312Q5的額定閘極電壓為10伏特，而溝槽技術(shù)為20伏特。如果采用相同的額定閘極電壓元件進行RDS(on)比較，則其差異將更明顯。

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　　圖4 針對不同的功率MOSFET結(jié)構(gòu)，晶片面積與RDS(on)的關(guān)系。

　　封裝面積縮小帶來更多挑戰(zhàn)

　　封裝面積縮小帶來另一個根本性的問題，即是否有必要犧牲Sp.RDS(on)以改善開關(guān)性能和FOM。例如，在3.3毫米(mm)×3.3毫米的QFN封裝中，晶片尺寸限制在4.5平方毫米(mm2)以內(nèi)。由于考量此封裝限制，才設(shè)計出面積限制的同步FET FOM。為闡明Sp.RDS(on)對同步FET功耗(PL)的影響，必須考量受晶片面積公式3影響的功耗元件，其中I0為輸出電流，tf為高溫條件下導(dǎo)致MOSFET阻抗上升的溫度因數(shù)，dt為MOSFET的導(dǎo)通時間，fSW為開關(guān)頻率，VDR為閘極驅(qū)動電壓，QG0為VDS=0V時VDR的閘極電荷，VIN為轉(zhuǎn)換電壓。在此并未提及Qrr，因為概略而言，Qrr與晶片大小無關(guān)。

　　PL=IO2RDS(on)×tf×dt+fSW (VDR×QG0+1/2VIN×QOSS)¨¨¨¨¨(公式3)

　　假設(shè)tf=1.3(即在100℃環(huán)境下運作)、導(dǎo)通時間為77%(相當(dāng)于從12伏特轉(zhuǎn)換至1.2伏特時，全負載效率的85%)，上述公式可針對RDS(on)、QG0、單位面積Qoss數(shù)值以及活動區(qū)域AA改寫為公式4。此外，為達成最低功耗，我們對活動區(qū)域進行區(qū)分，如公式4、5、6。

　　PL=IO2/AA×Sp.RDS(on)+AA×fSW (CWS FOM)/Sp.RDS(on)¨¨¨¨¨¨¨(公式4)

　　0=–IO2/AA2×Sp.RDS(on)+fSW (CWS FOM)/Sp.RDS(on)¨¨¨¨¨¨¨(公式5)

　　Sp.RDS(on)×IO=AA×(fSW(CWS FOM))1/2¨(公式6)

　　(Sp.RDS(on)×IO)/(AA×(fSW×CWS FOM)1/2)=1¨(公式7)

　　對于同步FET而言，只有在特定封裝的晶片尺寸具備足夠的活動區(qū)域，能夠確保ACS FOM=1時，才能將功耗降至最低。圖5顯示當(dāng)電流為25安培(A)、開關(guān)頻率為500kHz時，根據(jù)公式4得出的功耗與活動區(qū)域的關(guān)系。

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　　圖5 不同的功率MOSFET結(jié)構(gòu)作為同步FET時，活動區(qū)域與功耗之間的關(guān)系。開關(guān)頻率為1MHz時，輸出電流為25安培。電壓由12伏特轉(zhuǎn)換為1.2伏特，閘極驅(qū)動電壓為5伏特。

　　表2列出針對Power SO8和QFN3333封裝的ACS FOM。對于Power SO8來說，分裂閘技術(shù)的ACS FOM最低，代表其最佳性能最易于達成。但由于CWS FOM值為最大(圖3)，因此，并非最佳的技術(shù)選擇。值得注意的是，雖然分裂閘結(jié)構(gòu)的開關(guān)FOM不如橫向技術(shù)，但由于橫向技術(shù)的Sp.RDS(on)較差，因此無法充分利用其開關(guān)FOM方面的優(yōu)勢。相反，在這三項技術(shù)中，超級接面結(jié)構(gòu)同時擁有最低的Sp.Rds(on)和CWS FOM，因而能夠在所需晶片面積內(nèi)發(fā)揮最佳性能。當(dāng)采用更小的QFN3333封裝時，這些技術(shù)均無法發(fā)揮其最佳性能(三者的ACS FOM>1)。然而，圖4所示的結(jié)構(gòu)中，明確標(biāo)示出須要進一步降低Sp.RDS(on)，盡管這樣做可能導(dǎo)致開關(guān)FOM變差，詳見分裂閘技術(shù)和橫向技術(shù)針對面積小于4平方毫米應(yīng)用的對比。