低压超级接面结构优化MOSFET性能

QG更佳。由于超级接面结构在元件闸极和连接源极的漏极遮罩电极间增加了CGS，因此QG值低于分裂闸技术。

　　图3 针对横向/分裂闸/超级接面30V功率MOSEFT结构的QG、QOSS和QG与QOSS加权组合(CWS FOM)的比较。

　　相较于采用表面漏极触点的横向元件而言，横向结构的基板与漏极连接，并在元件主体和基板间增加CDS元件，可产生较高的QOSS结构。分裂闸结构的QOSS值亦较高，因为其依赖漏源极电容的产生以遮罩闸极电极，达到低QGD和RDS(on)。而超级接面结构毋须增加额外的CDS元件，因此可达成三种结构中最低的QOSS值。

　　选择功率MOSFET结构的重要因素，在于考量该结构是否有助于提高元件性能。若选用横向或分裂闸结构，须考虑在低侧元件应用中，是否值得为获得低QGD和QG而牺牲QOSS性能。这些达成最佳化的结果如图3下半部分所示，QOSS和QG使用5伏特闸极驱动电压和12伏特转换电压进行组合。显然对于同步FET而言，超级接面结构因其固有的低QOSS而具备最佳的综合性能。此结果表明，仅藉由达成最佳化已不足以获得最低QG和QGD FOM。这种情况更足以证明，沟槽结构中闸极电荷已降至相当低，QG不再扮演低侧元件开关损耗的主要因素。

　　对于同步FET方面，也必须要针对Sp.RDS(on)进行权衡和取舍，因为即便在高开关频率下，导通状态下的损耗仍占大部分比例。图4显示不同技术下RDS(on)与晶片面积的关系。显而易见，横向结构需要更大的晶片才得以获得与沟槽结构相同的RDS(on)。若观察竞争对手产品的最低典型RDS(on)值(VGS=4.5伏特时)，将会发现，横向技术可达成的最佳结果为1.4毫欧姆(mΩ)(CSD17312Q5)、分裂闸结构可达成1.1毫欧姆(FDMS7650)，而超级接面结构可达成1.1毫欧姆(PSMN1R0-30YLC)。就Sp.RDS(on)而言，竞争产品的基准显示，当VGS=4.5伏特时，横向技术单位面积的RDS(on)值较超级接面技术和分裂闸技术的RDS(on)值高出60%。如图3所示，由于晶片的尺寸不一，上述差异并未充分反映出实际上最低的RDS(on)值。请注意，CSD17312Q5的额定闸极电压为10伏特，而沟槽技术为20伏特。如果采用相同的额定闸极电压元件进行RDS(on)比较，则其差异将更明显。

　　图4 针对不同的功率MOSFET结构，晶片面积与RDS(on)的关系。

　　封装面积缩小带来更多挑战

　　封装面积缩小带来另一个根本性的问题，即是否有必要牺牲Sp.RDS(on)以改善开关性能和FOM。例如，在3.3毫米(mm)×3.3毫米的QFN封装中，晶片尺寸限制在4.5平方毫米(mm2)以内。由于考量此封装限制，才设计出面积限制的同步FET FOM。为阐明Sp.RDS(on)对同步FET功耗(PL)的影响，必须考量受晶片面积公式3影响的功耗元件，其中I0为输出电流，tf为高温条件下导致MOSFET阻抗上升的温度因数，dt为MOSFET的导通时间，fSW为开关频率，VDR为闸极驱动电压，QG0为VDS=0V时VDR的闸极电荷，VIN为转换电压。在此并未提及Qrr，因为概略而言，Qrr与晶片大小无关。

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

　　假设tf=1.3(即在100℃环境下运作)、导通时间为77%(相当于从12伏特转换至1.2伏特时，全负载效率的85%)，上述公式可针对RDS(on)、QG0、单位面积Qoss数值以及活动区域AA改写为公式4。此外，为达成最低功耗，我们对活动区域进行区分，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)

　　对于同步FET而言，只有在特定封装的晶片尺寸具备足够的活动区域，能够确保ACS FOM=1时，才能将功耗降至最低。图5显示当电流为25安培(A)、开关频率为500kHz时，根据公式4得出的功耗与活动区域的关系。

　　图5 不同的功率MOSFET结构作为同步FET时，活动区域与功耗之间的关系。开关频率为1MHz时，输出电流为25安培。电压由12伏特转换为1.2伏特，闸极驱动电压为5伏特。

表2列出针对Power SO8和QFN3333封装的ACS FOM。对于Power SO8来说，分裂闸技术的ACS FOM最低，代表其最佳性能最易于达成。但由于CWS FOM值为最大(图3)，因此，并非最佳的技术选择。值得注意的是，虽然分裂闸结构的开关FOM不如横向技术，但由于横向技术的Sp.RDS(on)较差，因此无法充分利用其开关FOM方面的优势。相反，在这三项技术中，超级接面结构同时拥有最低的Sp.Rds(on)和CWS FOM，因而能够在所需晶片面积内发挥最佳性能。当采用更小的QFN3333封装时，这些技术均无法发挥其最佳性能(三者的ACS FOM>