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行动装置充电器可望突破效能瓶颈。功率半导体开发商透过减少闸极电荷和输出电容中储存的能量，让新一代MOSFET大幅降低导通和驱动损失，并实现更高的开关效率，将有助提高10瓦行动装置充电器的系统效率与功率密度。
在智慧型手机和平板装置功能整合度持续提升，而尺寸不断缩减的驱动下，过去几年中，锂离子电池的能量密度已显着提高。行动装置和电池技术的进步引导电池充电器设计者着重于改善功率转换效率、功率密度、工作温度、先进功率元件的充电时间和输出功率、电路拓扑和控制方法。半导体供应商在开发先进技术，以实现较高效率和功率密度解决方案的方面扮演着举足轻重的地位。
智慧型手机发展迅速，能同时支援多种功能和特性。它综合了通讯、计算、网际网路及人际网络的功能；因此，需要更多的晶片和处理周期，这意味着需要更高的功率位准。由于有了这些附加功能，智慧型手机需要比以往更高的电量。传统的线性电池充电器因为效率低弱、尺寸较大，无法再充分满足充电要求。因此，智慧型手机电池充电器的关键设计难题便是提高效率和功率密度，从而满足能源规范。由于返驰式转换器设计简单、成本低廉，因此经常用于低功率应用，比如智慧型手机、平板装置充电器或笔记型电脑电源转换器(图1)。
图1 典型的返驰式转换器电路降低功率MOSFET开关损耗 返驰式转换器效率更耀眼
然而，由于返驰式转换器具有较高均方根值(RMS)和峰值电流，返驰式金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)和输出整流二极体具高开关损失及导通损失，将导致其相对较低的效率。透过对10瓦(W)返驰式转换器进行功率损失分析，能发现造成初级侧MOSFET功耗的主因是开关瞬间的开关损耗，尤其是当较高的汲源极电压VDS施加到MOSFET时。因此，提高功率密度最常见的方法是提高开关频率，这种方法能够缩减被动元件的大小；同时为了提高系统效率和功率密度，必须减少初级侧的开关损耗。
在低功率返驰式转换器中，大多数热耗散是由转换器、初级侧功率MOSFET和次级侧二极体产生的。在众多元件中又以功率MOSFET尤其重要，这是因为功率MOSFET耗散的功率比任何其他元件都多。这不仅是效率问题，而且还涉及到热管理及可靠性。MOSFET中的功耗与导通电阻、闸极电荷及电流上升和下降时间以及开关频率及工作温度有很大关系。
功率MOSFET的损失包括开关损耗、导通损失及闸极驱动损失。图2显示在VIN=230Vac和POUT=10W条件下对行动充电器应用中MOSFET的功率损失分析。如图2所示，开关损耗是10W返驰式转换器中最关键的损失。
图2 10W返驰式转换器功率MOSFET的损失分析随着MOSFET导通及关断，内在寄生电容在每个开关过渡过程中存储然后消耗能量。那些寄生相关的损耗是整流后线路电压的平方与MOSFET的COSS输出电容的函数。这些损耗与开关频率成正比。MOSFET物理尺寸越大，其电容也越大；因此，当MOSFET的尺寸越大，开关损耗也就越大。因此，为了提高系统效率，就必须减少初级侧开关的开关损耗，而不是其导通损耗。
由于MOSFET是单极元件，寄生电容是开关瞬间的唯一限制性因素。因此，若要减少开关损耗，须要降低寄生电容。了解输入电容如何对应开关损耗的一种方法是，评测输出电容的有效值。MOSFET输出电容中存储能量的计算方法是对输出电容及汲源极电压的乘积做积分运算，而汲源极电压是指从零到导通瞬间前的汲源极电压。所存储的能量在每个开关周期导通时透过MOSFET通道消耗。
新一代MOSFET上阵 充电器效率/功率密度提升
新一代MOSFET输出电容中存储的能量与过去的MOSFET相同导通电阻元件相比，少了大约35%(图3)。新一代MOSFET不仅具有较低的导通损失，而且因为具有较小的闸极电荷，能够实现较高的开关效率及较低的驱动损失，因此能够提高10W行动充电器应用的系统可靠性。
图3 输出电容中存储的能量
如图4所示，与半负载时的竞争产品MOSFET相比，新一代MOSFET的效率提高了大约0.69%和0.41%。效率提高的主要原因是，由于Eoss更低，关断损耗和输出容性损失得以降低。
图4 10W返驰式转换器的效率对比
图5 10W返驰式转换器的辐射性EMI对比(在Vin=115Vac、Pout=10W，水平天线下)快速充电、提高功率密度和实现更高效率是行动充电器应用中最具有挑战性的问题。为了实现这个目标，开关效率是最重要的。透过减少闸极电荷和输出电容中存储的能量，新一代MOSFET能够提高开关效率，并减少驱动和输出容性损耗，它能允许设计者显着提高智慧型手机或平板装置电池充电器系统效率及功率密度，同时保持非常好的EMI效能。
(本文作者皆任职于快捷半导体)
