解决服务器功率转换效率问题，新一代MOSFET居然有这么大能耐

随着网际网路应用与资料可用性的增加，预期未来伺服器的使用将随之增加。相关资源的大幅增加，将为主要网际网路供应商，带来能源需求的问题，而伺服器制造商对于高效率能源利用的需求也将提高。

另外，在伺服器场浪费的每一瓦电力，不仅影响电费，同时也会影响维持较低环境温度的空调运作。最终，能源成本的降低，与所选伺服器场的架构无关。

在伺服器中，可能有数种能源的损耗，但在许多案例中，由于高功率的需求，CPU与记忆体的电源供应器(DC-DC转换器)，是承受最大压力的元件。

此外，在部分案例中，例如刀锋伺服器(图1)，由于小尺寸外型，因此不太可能在机壳内部进行散热。最终，高效率伺服器，将需要高效率DC-DC转换器，并且受到降压转换器中，所使用电源开关选择的影响。

图1　刀锋伺服器的尺寸外形较小 图片来源：DELL

英飞凌可协助工程师建立更有效率且小型的伺服器，提供名为Power Block的新型系列产品，可在5.0×6.0mm2的尺寸中提供两个开关。本文介绍Power Block，并说明相较于标准独立解决方案，做为一对SuperSO8的优点，以对应出量化应用的需求。

负载差异范围颇大　功率转换器设计为首要考量

目前已有许多文件，可协助工程师设计完整的降压转换器(请参阅参考资料1)，但在开始设计阶段之前，完全了解应用需求，及自己的优先顺序是很重要的。伺服器与电信应用中的功率转换器，最重要的技术要求，来自系统与负载规格。

负载曲线会依据处理器利用率及伺服器所需的工作种类而定。在许多案例中，负载的差异可从数百安培到几安培。由于负载分布大多数时间，处于中低负载(请参阅参考资料2)，因此，重点在于让此范围的效率达到最高，并且在满载时不牺牲过多的效率。

伺服器机壳内部的环境温度范围为50℃，假设PCB的最高温度约为100℃，允许功率级在满载时，因为功率消耗，而使温度仅增加50℃至60℃。PCB的最高温度，依据PCB的材质、结构与所需使用寿命而定。100℃是FR4材料一般可接受的极限(请参阅参考资料3)。

图2显示典型的伺服器基板简化配置。专属于CPU电源供应器的区域，基本上为梯形，主要由CPU与伺服器之间的资料连线路径，以及伺服器的插槽大小所定义。

图2　简化的客户配置

此形状决定CPU的功率转换器区域，通常包含具有四∼六相位的多相位降压转换器。相位数依据功率需求而定，功率转换器所需的区域在1000mm2的范围内。

此区域也会间接受到切换频率fSW的影响：切换频率越高，在输出中做为滤波器使用的被动元件所需区域就越小。为了达到高fSW，很重要的是必须有几奈秒范围内的过渡时间；在目前的设计中，fSW在500kHz的范围，过渡时间则在1奈秒的范围。表1摘述应用的需求。

为适应负载曲线　Power Block具不同导通电阻

这三项需求是相互依存的。例如，以低功率消耗为目标，需要在功率MOSFET中，具备低电阻。依据矽与封装技术而定，这可能须要使用较多的面积。反之，若以小尺寸封装为目标，可能会使热传导至功率级外部的情况更加恶化。

在过去，降压转换器拓朴所使用的两个MOSFET，通常采用两种不同封装，例如SuperSO8或S3O8，尺寸分别为5.0×6.0mm2与3.0×3.0mm2。由于矽技术不断进步，晶粒尺寸持续缩小，可提供更小封装。由于两个MOSFET，现在可整合为单一5.0×6.0mm2封装，相较于SuperSO8解决方案，可减少50%的使用面积。

Power Block系列产品包含三个装置，它们共用与低侧MOSFET同样的面积，并具备不同的导通电阻RDS(on)，以更妥善地适应不同的负载曲线。所有产品皆采用5.0×6.0×1.0mm2非对称双模压封装，脚位间距为1.27mm。

具备单片整合类肖特基二极体的装置，在长停滞时间控制(20ns)的驱动器上可提升效率峰值。

图3显示装置的接脚输出与电气连接。我们可清楚看到装置分为两个区域：上方区域专属于高侧MOSFET。接脚1专属于闸极连接。接脚2用于驱动器的Kelvin连接。接脚3、4与9专属于高侧MOSFET的汲极，并连接至输入电压，接脚9可为PCB提供良好的热连接。

图3　 接脚输出(底视图)与电气连接(俯视图)

装置的底部区域，专属于低侧MOSFET。接脚5、6与7连接桥的中间点(VPhase)与电感器。接脚8是低侧MOSFET的闸极连接。接脚10是低侧MOSFET的源极，通常连接至PCB的接地。此连接尺寸刻意加大，类似高侧MOSFET，目的是与基板维持良好的热连接。明显的好处是减少矽装置覆盖的面积。另外，较小的功率级面积，有助于降低寄生电感，在高切换频率时可提升系统效率。

Power Block已针对伺服器应用进行最佳化。在装置的效率与热效能方面，