MOSFET走出IC阴影,找到自身应用价值

上网时间: 2007年02月01日? 作者:何旭东? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:MOSFET? 飞兆? 国际整流器公司?

多年来,在以复杂IC为中心的系统里,MOSFET仅仅被视为通用器件,或者“简单的开关”。这是因为采用小信号分立器件、运算放大器和无源器件等设计控制器的方法已经被IC取而代之,IC在缩短设计周期、减小尺寸和提高可靠性等方面,优势明显。因此,MOSFET的发展史始终笼罩在IC的阴影中。

然而,从1980年代末开始,MOSFET开始走出IC的阴影,市场中出现了表面贴装的功率MOSFET。与先前同类产品不同的是,表面贴装功率MOSFET更注重外形尺寸、效率和动态响应等,在推动便携设备的设计创新方面,MOSFET拥有较高的应有价值。

如今,MOSFET产品更加成熟,飞兆、国际整流器公司、英飞凌等推出多种新产品,以满足便携设备的设计需求。

供应商频推新产品

目前,MOSFET市场已经成熟,许多厂商提供各种技术和性价比的产品。在许多情况下,系统中MOSFET的成本已经超出功率IC的成本,MOSFET突破了通用器件的范畴,成为高性能的产品。

飞兆半导体公司低功率产品副总裁John Bende认为:“表面贴装MOSFET正在取代以往同类产品,让终端产品制造商获得了不断创新的能力。”他举例说,新型MOSFET能使空间受限制的便携设备减小外形尺寸。如飞兆半导体公司推出的FDZ191P,是业界封装最小的P沟道MOSFET器件,可为各种低压(作为PowerTrench MOSFET,FDZ191P采用了飞兆半导体最新的晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP),具有出色的热阻(83℃/W)和低RDS(ON)(4.5V时为67mΩ)。同时,FDZ191P具有超小型(1.0×1.5×0.65mm)封装,与同类器件相比能节省至少30%的线路板空间,而且最大的封装高度仅为0.65mm,使其非常适用于高密度产品和超薄型消费电子产品的设计。FDZ191P还能够工作于1.5V的低电压,这在功率管理设计中是一个重要的特性。此外,FDZ191P还满足全球电子产品应用中所需的RoHS标准等环保要求。

John Bende表示:“FDZ191P器件已有现货供应,交货期限为收到订单后12周内。”另据了解,飞兆半导体将陆续推出采用1.0mm×1.5mm WL-CSP封装的产品系列,为设计人员提供了理想的解决方案,能够应付低压设计对于空间和功率管理电路方面的挑战。

近期,国际整流器公司也推出了IRF66?1TRPBF功率MOSFET,这是一款采用DirectFET封装技术的200伏HEXFET。据称,IRF66?1TRPBF厚度只有0.7mm,将栅电荷和封装感应降至了较低水平,以降低传导和开关损耗,额定电流达25A,效率为95%。国际整流器公司分立产品的技术营销主管Carl Blake表示:“相较于2个或3个SO-8器件,一个IRF66?1TRPBF节省的电路板空间就超过50%。”

IRF66?1TRPBF面向采用通用输入电压(36~75V)的隔离式DC/DC转换器设计,在VDS=10的情况下典型导通阻抗是51毫欧姆,栅电荷较低(典型情况下QG=35nC,QGD=9.5nC),适用于中间总线高频高电流转换器中的同步整流器应用、DC马达驱动和与风轮机配合的48伏逆变器。它还适合高电流AC/DC转换器中的同步整流,用于为输入电压为48伏的电脑和电信服务器供电。

与其它增强型SO-8器件相比较,在次级同步整流插槽的接通效率上,IRF66?1TRPBF提高了0.4%。另外,当每个插座增加同样数量的增强型SO-8器件时,IRF66?1TRPBF也能提供同样的7A全负载效率。IRF66?1TRPBF采用一个金属罐结构,能够双面冷却,有效地使为高级微处理器供电的高频DC/DC降压转换器的电流处理能力提高一倍。此外,采用DirectFET封装的器件符合RoHS要求。

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英飞凌推出的OptiMOS3。

另外,英飞凌推出了新一代MOSFET节能器件:OptiMOS 3 30V N沟道MOSFET家族,应用于计算机、电信设备和消费电子产品的DC/DC变换器,可使标准电源产品的可靠性和能源效率提高1%至1.3%,并在导通电阻、功率密度和门极电荷等主要方面,达到业界领先水平。英飞凌公司(香港)功率事业部区域市场经理伍伟明表示:“用于笔记本电脑、液晶电视、游戏机等领域的电源产品,需要降低系统功耗,达到更高能源效率。”虽然与前一代产品相比,OptiMOS3产品家族的能源效率提升幅度不大,但在技术上很难实现。利用N沟道OptiMOS3工艺制造的器件具备较低的导通电阻、门电荷等特性。

OptiMOS 3的低导通电阻最大程度地减少了传导损耗和导通功率消耗,提高了功率密度。例如采用SuperSO-8封装的OptiMOS3功率MOSFET最大额定导通电阻仅为1.6mΩ,比同类器件降低了30%左右的导通电阻。较低的门极电荷使得OptiMOS3器件易于驱动,可以使用成本较低的驱动器。此外,优值系数(FOM)的提高使得驱动器的负荷降低30%,大幅降低了驱动器工作温度,在400kHz开关频率条件下,与同类产品相比,降幅约达10摄氏度,从而降低了热能消耗。OptiMOS3还可延长笔记本电池的使用寿命,降低服务器和电信系统的能耗。

OptiMOS3采用8种封装形式,共有80多种器件,各种器件具备不同的导通电阻。目前,OptiMOS3已批量供应,性能最为出色的BSC016N03LSG器件,导通电阻为1.6 mΩ,采用SuperSO-8封装。伍伟明透露:“如果订购数量达到万件,单价不到1美元。采用S3O8封装的3.5 mΩ器件的价格不到0.7美元。”

借助OptiMOS3,电源制造商只需利用较少的器件,即可获得理想性能,使DC/DC转换器通常所需的MOSFET数量降低33%。英飞凌还为该器件采用了全新的高性能Shrink SuperSO-8(S3O8) 3mm×3mm封装,这将使转换器系统设计中所需的MOSFET板载空间减小60%。除了可开发小型DC/DC转换器之外,OptiMOS3器件还可用于提高给定标准尺寸的电源的输出功率。

MOSFET的发展趋势

针对不同的应用领域,多家供应商提供了各类高性能MOSFET,进入了一个创新阶段。Bende认为:“MOSFET的创新来自于提供技术的Subcon制造厂的出现。”正像1990年代的功率IC公司趋向于“无制造厂模式(fabless) ”,一些新兴的分立器件供应商在进入市场的过程中,将硅片制造和封装外包出去,降低硅片制造和封装的压力,以便在市场竞争中获得成本优势。目前许多运用“无制造厂模式”的MOSFET供应商利用这种成本优势,获得了较大市场份额。

但是,John Bende进一步指出:“现在,采用‘无制造厂模式’的MOSFET供应商面临的问题是:是否能像运用‘无制造厂模式’的功率IC公司那样,能长期有效地与拥有制造厂的MOSFET供应商展开竞争。”之所以出现这种忧虑,是因为功率IC供应商与MOSFET供应商有很大的不同。如今,有许多“无制造厂模式”的功率 IC公司战胜拥有制造厂的IC公司,是因为这些“无制造厂模式”的IC供应商能够应用知识并将知识转换成产品,而这些产品又应用在客户的下一代产品中。功率IC供应商的成功不仅依靠具有最小几何尺寸的先进IC工艺技术来实现系统解决方案,而更多依靠成本优势这一“非技术”因素,为客户带来高性价比的产品。

而“无制造厂模式”的MOSFET供应商的成功主要来自技术上的竞争力,成本上无竞争优势。MOSFET承载着实际的功率,以实现系统设计人员对效率、尺寸、动态响应等性能的追求。为了在市场中有竞争力,MOSFET供应商不得不权衡直流和交流电压的技术特性,以便在系统中获得比竞争对手产品更高的性能。同时由于系统设计要求在不断变化,因此MOSFET供应商必须时刻进行技术创新,以适应系统设计发展趋势或超过竞争对手的产品性能。通常,MOSFET供应商需要每18个月对技术进行升级换代,以便在未来市场中保持领先地位。

John Bende总结道:“‘无制造厂模式’MOSFET供应商能否保持竞争优势,关键取决于下一代技术的创新速度。”从最初出现“无制造厂模式”MOSFET供应商,到现在已有2年历史,但是许多拥有制造厂的MOSFET供应商,已经加快了技术创新速度,向下一代MSOFET技术发起冲击。

然而,下一代 MOSFET将向哪个方向发展呢?在不同应用领域,除了降低功耗是MOSFET的主要发展方向之外,还有三个显著的发展趋势:在相同占位面积下,加强性能提升、微型化和集成化的水平。尤其为了满足便携设备对MOSFET微型化的要求,飞利浦、飞兆等MOSFET厂商全力开发小型封装产品,缩小MOSFET占位面积。

作为便携设备的代表,笔记本电脑是低压 MOSFET 的一个主要领域,该领域关键技术发展趋势是“聚焦工艺”(focused processes)。在五年前,只有单一工艺能满足笔记本电脑设计中对高边和低边MOSFET的要求,而现在,MOSFET供应商需要3种聚焦工艺来配合笔记本电脑对MOSFET位置(高边和低边)的要求,有时甚至需要4种聚焦工艺。因为笔记本电脑的工作电压为19V,在该电压下动态损耗比台式电脑系统严重。为了克服该缺点,笔记本电脑中的“高边” MOSFET使用了复杂的栅结构将米勒电容减至最低,以实现极间快速切换。而“低边”MOSFET采用了在硅片集成肖特基和“复杂栅”的工艺,使MOSFET达到最佳效率。

虽然当今世界分立器件市场波动难于预测,但MOSFET厂商一致认为,笔记本电脑、游戏机、显示器以及手持设备的快速发展,对高性能MOPSFET的需求量巨大。MOSFET厂商相信,只有不断加强技术创新,才能在MOSFET市场上获胜。

作者:何旭东


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