瑞萨用于电池充电器的功率MOSFET

瑞萨用于电池充电器的功率MOSFETRenesas Power MOSFETs for Battery Charger

Renesas公司

功率MOSFET应用发展趋势
功率MOSFET有着各种各样的应用，如电源管理、交流-直流电源转换、直流-直流电源转换、UPS、电机驱动、汽车电子、数字音频功效以及在LCD、PDP方面的应用等。不同的应用对于MOSFET的工作频率和漏-源电压有不同的要求。

瑞萨开发的移动电源充电器的交流适配器，它的关键器件是用在源边的功率MOSFET RJK6022DJE，器件的电压可达600V。

对于用于大功率级的交流适配器，就高端的笔记本电脑来说，其功率高达90 150W。这种情形下，高的转换效率是非常重要的。为此瑞萨在设计上采用了MOS同步整流器和更复杂的源边电路，这种电路在输出功率100W、整流电流7A时，效率可达90%。将MOS整流器与普通SBD整流器两者在整流损耗性能上进行比较，可以看出SBD整流损耗为3.0，MOS为0.61，大大少于前者。

功率MOSFET除了用在充电器的交流适配器中，还用在诸如笔记本电脑系统的内部，一是用于锂离子电池块中，二是用在电脑电源的直流-直流转换，即产生多样电流电压的电路中。

按照笔记本电脑CPU内供电趋向低电压和大电流、系统趋向高功能智能化性能的基本发展趋势，系统功耗会变得很大，电流也会大大增加。这就需要交流适配器具有大功率容量。另外，锂离子电池的电流也会急剧增大。所有这些要求都需要由低功耗的功率MOSFET来满足。

瑞萨MOSFET开发新进展

这里来研究电源管理开关的关键参数。功率MOSFET用作锂离子电池电源管理开关时，最重要的参数是漏-源之间的导通电阻RDS(on)，这个电阻越小越好。从P沟道MOSFET的发展进程来看，从1998年至今，该类产品已从第六代发展到第八代产品，并正在计划第九代产品，其RDS(on)的值是逐渐降低的。

瑞萨公司的新型P沟道MOSFET开发计划面向锂离子电池块、选择开关、笔记本电脑和其他电池设备的充电器等方面的应用，产品特点是超低RDS(on)。 瑞萨还推出了新的LFPAK封装形式，其特点为低电阻、低热阻、低电感；与SOP-8脚封装兼容；超薄，厚度仅为1.1mm，无铅。LFPAK封装有助于降低RDS(on)。如HAT1125H产品就是采用这种封装，它的RDS(on)为2.7m 。
将LFPAK封装与SOP-8封装进行结构对比，前者的封装结构更紧凑。从封装特性上看，LFPAK封装在封装电阻、厚度、热阻、电感等方面均明显优于SOP-8。

针对小型化的发展需要，瑞萨实施了开发2合1芯片LFPAK的计划，该产品的特点是：（1）将充电和放电两部分合在一个芯片内，这样电池板可以做得更小更薄。（2）获得低的RDS(on)，具体为7.5m ，以及低的热阻。

2合1芯片WPAK封装的特性为：

（1）超薄封装，厚度仅为0.8mm，是SOP-8的54%。（2）低热阻。
以笔记本电脑电池管理为例进行说明。在锂离子电池的管理中，原来使用SOP-8封装的HAT1048R要用4片，现在改用LFPAK封装的HAT1125H只要2片。这样使得整个锂离子电池和笔记本电脑做得更小更薄。

瑞萨MOSFET器件性能评估

对于高端的电源充电器也即转换充电器应用，要求功率MOSFET有以下特点：（1）高效率，以便做到低耗能。（2）大电流，以便快速充电。（3）小而薄的封装，以便做到小尺寸。

从快速充电器的基本电路构成上看，电路中要用到上下两个功率MOSFET，称之为上部和下部。在高端应用中，瑞萨采用上下两个N沟道管子。在中档应用中，上下两部分别采用N沟道和P沟道管子。
下面来研究与快速充电器电路有关的关键参数。最关心的是漏-源导通电阻RDS(on)，与之相关重要参数有（1）低的栅-漏电荷Qgd，有利于低的RDS(on)；（2）低的栅极电阻Rg，有利于低的Qgd；（3）应该对下部的门限电压优化。

低的Qgd有利于获得高的效率。这里用Maxim1717实验板在频率300kH z、输出电压1.6V、输出电流10A的条件下进行测试，上部电路固定为HAT20682，下部电路用3种不同Ron/Qgd比值的HAT20682。HAT20682属于D7-L类型。在最低Qgd为5.0nC的情况下，效率最高。
降低栅极电阻Rg有利于提高工作频率和开关损耗，仍用Maxim1717实验板，测试条件为Vin为12V、f为300kHz和1MHz。测试结果，Rg变大时，效率变低。

优化门限电压Vth有两个目的，一是避免误开通，二是提高效率，降低损耗。安排上部固定为HAT2168H，下部用具有三种不同Vth值的HAT2165H和HAT2265H。实验板仍是Maxim1717。测试条件是Vout=1.3V、Iout=10A，f=1MHz。从测试结果看，不同的Vth有不同的效率曲线，需要找出一个最高效率曲线，即得到优化的Vth。

从封装上看，D8-L系列与以往的D7-L系列产品在性能上有明显优势。这里把Ron和Qgd作为品质因数即MOM来考察。在VDSS为30V、栅-源电压Vgs为4.5V的条件下，D8-L系列的MOM从D7-L的65毫欧nC下降到24毫欧nC，改进了接近63%。
将D8系列与D7系列产品在效率上进行比较，仍用Maxim1717作实验板进行测试，D8系列产品其效率明显要高。

瑞萨MOSFET器件应用

1.用于快速充电器的产品性能。

2.用于快速充电器的WPAK封装产品系列，其特点是超薄封装，厚度最大仅0.8mm。

3. 把上部电路和带SBD二极管的下部电路结合在一起的例子。这类复合产品的特点是：上部的MOS电路是低Qgd/高速切换、低Ron；下部的MOS电路内置有SBD二极管。封装形式可以是WPAK或SOP-8。其应用主要为笔记本电脑DC /DC转换，输出电流为2 3A。

  来源:零八我的爱