CE系列高压MOSFET：专为消费类电子和照明而生 电子产品, 消费类

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[导读] 英飞凌CE系列CoolMOS 是英飞凌公司专为消费类电子产品和照明产品推出的高压功率MOSFET。
关键词：消费电子LED照明MOSFET

　　摘要： 英飞凌CE系列CoolMOS 是英飞凌公司专为消费类电子产品和照明产品推出的高压功率MOSFET。该系列MOSFET基于英飞凌超级结技术平台，性能出色；而该系列经过成本优化，极佳的性价比保证其在消费和照明这类价格极其敏感的产品市场中依然具有极强的竞争力。本文通过CE系列MOSFET在充电器和LED球泡灯上的应用实例验证了该系列产品的优异性能。
　　前言
　　现代科技的进步使得消费类电子产品层出不穷，智能手机，平板电脑，电子阅读器，LCD/LED电视，笔记本电脑等产品已经大量普及，可穿戴设备，物联网，智能家居等新产品，新互联理念方兴未艾。与此同时功率电力电子技术及半导体技术的进步使得新型照明产品-LED灯深入千家万户。LED灯具有高效节能，光转换效率高，寿命长，绿色环保，色彩丰富等特点，因此已经逐渐取代钨丝灯，荧光灯等传统光源。相应地国内，国际相关组织及协会对于这些电子产品的电源转换效率，EMI等特性越来越关注，相关标准也越来越严格，这对相关的设计者提出了更高的要求。如何设计这类电源转换装置确保性能满足要求同时价格低廉成为设计者最大的挑战。
　　英飞凌产品解决方案
　　英飞凌科技有限公司（以下简称英飞凌）作为全球技术领先的半导体和功率电子综合解决方案公司，已经意识到以上技术趋势及对设计者的挑战。从2011年开始陆续推出了针对此类应用的 CE系列CoolMOS（英飞凌高压MOSFET注册商标）及ICL8001/02G，ICB2FL01/02/03G，BCR，ILD系列LED灯控制IC及照明IC。作为核心的功率控制开关，CE系列CoolMOS以其优异的性能和极佳的性价比，迅速获得业界的认可。同时通过CE系列CoolMOS与控制IC的完美结合，英飞凌的综合解决方案也在业界得到广泛的应用。
　　图1为CE系列CoolMOS产品概况，耐压范围涵盖500V，600V，650V及800V，是英飞凌CoolMOS系列中电压范围最宽的产品之一。直流导通电阻范围为0.19欧姆至3欧姆，以满足不同的功率等级及应用场景需要。CE系列CoolMOS适合的应用领域包括适配器/充电器，计算机及服务器电源，电视电源，LED灯驱动等消费类电子产品及照明产品，而其适用的功率转换拓扑极多，包括硬开关反激，准谐振反激，PFC电路，双管正激及LLC等软开关拓扑，这给电源转换装置设计者以极大的便利：可根据设计要求选定不同的电路方案，而功率开关却只需限定一种即可。

　　

　　图1 CE系列CoolMOS概况

　　CE系列CoolMOS基于英飞凌超级结（superjunction）技术平台开发，而目前市场上多数应用于消费类电子产品和照明产品的功率MOSFET技术为标准MOSFET技术。超级结技术相比标准MOSFET技术，在多个关键参数上具有明显优势。
　　1. RDS（on）（漏源导通电阻）更低，导通损耗更低。 图2为传统标准MOS与CoolMOS在不同漏源耐压等级下漏源导通电阻与芯片面积积（RDS（on）×A）（在相同的芯片面积下等效于漏源导通电阻）对比情况，同时也给出了采用传统技术的“硅极限”曲线。从图中可知，采用传统标准工艺的MOS其漏源导通电阻随着耐压的增加而迅速增加，且无法小于理论的“硅极限”，而采用超级结技术的CoolMOS产品不但漏源导通电阻与芯片面积积远低于传统标准MOS及“硅极限”，而且基本不随耐压等级的上升而上升，因此CoolMOS在相同芯片面积下直流导通电阻更小，而相同直流导通电阻下芯片面积更小，即成本更低。
　　2. 寄生电容（Ciss，Crss，Coss）更低，开关特性更好，损耗更低。图3显示了CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）与漏源导通电阻接近的标准MOSFET在寄生电容上的对比情况，图中实线为CE系列CoolMOS，虚线为标准MOSFET，从图中可知CE系列CoolMOS的三个寄生电容Ciss（等效输入电容），Crss（等效转移电容/米勒电容）及Coss（等效输出电容）都小于相应的标准MOSFET的电容。CE系列CoolMOS之所以有更低的寄生电容，同样是因为采用了超级结技术。由图2可知，在漏源导通电阻接近的情况下，采用超级结技术MOSFET的芯片尺寸更小，那么相应地寄生电容也更小。更小的Ciss和Coss确保驱动损耗和开关损耗更低；更小的Crss使得MOSFET门极振荡更小，可靠性更高，EMI特性更好。
　　3. 门极电荷更小，驱动损耗更低，开关速度更快。图4为CE系列CoolMOS与标准MOSFET门极电荷随漏源导通电阻变化的对比，由图可知CE系列CoolMOS在不同漏源导通电阻下的门极电荷都低于标准MOSFET的门极电荷，平均低40%左右。门极电荷更小，意味着相同驱动电压和频率下驱动损耗更小；相同驱动电流下MOSFET的开关速度更快；这都确保CE系列CoolMOS的损耗更低，效率更高。
　　4. 输出电容存储的能量更低，损耗更低。图5为CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）与标准MOSFET输出电容存储能量Eoss对比情况。从图可知在漏源电压较高（>120V）情况下（对于高压MOSFET，其漏源电压不会低于120V，否则选择高压MOSFET就没有任何意义）CE系列CoolMOS输出电容存储的能量低于标准MOSFET。由于输出电容存储的能量在MOSFET开通后以热的形式损耗到MOSFET中，因此输出电容存储的能量越低，则MOSFET的损耗越低，效率越高。

　　

　　图2 不同耐压下RDS（on）与芯片面积积对比

图3 寄生电容对比

　　

　　图4 典型门极电荷对比

图5 输出电容存储能量对比

　　从以上参数对比我们可以看出，CE系列CoolMOS相比标准MOSFET在效率，可靠性等方面具有明显的优势。接下来我们通过在充电器和LED驱动器上的应用实例来验证CE系列CoolMOS的优越性能。
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　　充电器案例
　　该案例为一款全球输入范围的15W充电器，主要规格如下：

　　表1 15W充电器主要规格

　　图6所示为该充电器详细的原理图。该充电器采用反激同步整流方案，原边控制芯片为英飞凌公司的准谐振PMW电流模式控制芯片ICE2QS03G［1］，原边主功率开关管为CE系列CoolMOS 650V 耐压MOSFET IPS65R1K5CE［2］。副边同步整流控制驱动芯片为TI公司的UCC24610，同步整流MOSFET为英飞凌的OptiMOSTM （英飞凌中低压（20V～250V）功率MOSFET品牌）系列中的BSC067N06LS3 G［3］。该充电器具有完整的启动及保护功能，包括软启动，轻载下工作于burst模式，辅助电源过欠压保护，输出过载/开环保护，过温保护及自动恢复，可调整输出过压保护，副边绕组短路保护等。

　　

　　图6 15W充电器原理图

　　该充电器产品实物如图7所示。

　　

　　

　　图7 15W充电器实物图

　　对该充电器进行详细的测试，结果如下：
　　1. 效率测试。根据图8所示的结果， 115Vac输入下的平均效率为89.05%，230Vac输入下的平均效率为88.24%，满足表1所示的规格要求。根据图9所示的结果，115Vac输入下10%负载效率为87.05%， 230Vac输入下10%负载效率为85.08%，满足规格要求。

　　

　　图8平均效率及满载效率随输入变压变化曲线

　　

　　图9 不同输入电压下效率随负载变化曲线

　　2. 空载损耗。图10为待机功耗（空载损耗）随输入电压变换情况，在所有输入电压范围内空载损耗都小于40mW，满足规格要求。

　　

　　图10 空载损耗随输入电压变化曲线

　　3. 传导噪声测试。图11和图12分别为输入电压为115Vac和230Vac且满载输出下输入火线和零线的传导噪声测试结果，传导噪声通过EN55022（CISPR22） Class B标准且准峰值噪声有超过8dB的裕量。

　　

　　图11 115Vac输入满载输出时火线和零线传导噪声

　　

　　图12 230Vac输入满载输出时火线和零线传导噪声

　　4. 温度测试结果，图13为85Vac输入和265Vac输入，满载输出情况下功率MOSFET IPS65R1K5CE温升测试结果。在最低和最高输入电压下功率MOSFET的壳温都小于90°C。

　　

　　图13 不同输入电压下温度测试结果

　　从以上结果可知，采用英飞凌的CE系列CoolMOS及综合解决方案设计的充电器，可以获得极佳的性能，同时由于CE系列CoolMOS成本极具竞争力，该方案也具有很高的性价比。

　　照明案例
　　接下来介绍CE系列CoolMOS产品应用于LED球泡灯驱动器的案例。
　　该LED球泡灯驱动器的主要规格如下。

　　

　　表2 LED球泡灯驱动器主要规格

　　该LED球泡灯驱动器采用反激拓扑，主控芯片为英飞凌公司的准谐振PWM控制芯片ICL8002G［4］，该芯片适合反激，Buck等不同拓扑，工作于准谐振方式，原边控制模式，集成PFC及切相调光控制以及集成多个保护功能，非常适合于可调光LED灯等应用。主控开关采用CE系列800V耐压的功率MOSFET IPD80R2K8CE［5］。由于采用了先进的控制方案，高效的转换拓扑和功率器件，该驱动器具有平滑调光曲线及很高的调光能力，超过85%的高效率，非常高的功率因数及很低的THD（谐波因数），采用紧凑的单级拓扑实现PFC及功率转换，原边高精度控制以及多个保护功能，极低的BOM成本。该驱动器原理图如下图所示。

　　

　　图14 11W LED 球泡灯驱动器原理图

　　LED球泡灯驱动器的实物图形如图15所示。

　　

　　图15 11W LED球泡灯驱动器实物图

　　实测结果如下：
　　1. 恒功率输出测试。对于LED球泡灯应用，由于LED灯的数量是固定的，因此输出电压的变化范围很小，则恒功率输出意味着输出电流也是恒定的。图16给出了该LED球泡灯驱动器输出功率及输出电流随输入电压变化情况。由测试结果可知，输出功率和输出电流随输入电压变化很小，实现恒功率和恒电流控制。

　　

　　图16 输出功率及输出电流随输入电压变化曲线

　　2. 输入波形测试。图17所示为230Vac输入，满功率输出时的输入电流和输入电压波形，测试得到功率因数约为0.93，满足规格要求。图中绿色曲线为输入电流波形，蓝色曲线为输入电压波形。

　　

　　图17 满载输出时的输入电压和电流波形

　　3. 切相波形。图18给出安装有前沿切相调光器时，该驱动器的输入电流（绿色波形），输入电压（蓝色波形）及LED电流波形（黄色波形）。对于不同的调光器，该驱动器范围不同，最大有1%～100%的调光范围（例如使用LUMEO/LICHTREGLER T10， TCL，HPM/400T等）。

　　

　　图18 安装有切相调光器时的驱动器输入电流，输入电压及LED电流波形

　　4. 系统效率测试。图19所示为LED驱动器的系统效率随输入电压变化的情况。由于采用高性能的控制IC及功率MOSFET，在整个输入电压范围内该驱动器都有很高的效率（>84%）。

　　

　　图19 LED球泡灯驱动器系统效率随输入电压变化曲线

　　5. 传导噪声测试。图20所示为该LED球泡灯驱动器两根输入线（火线与零线）在230V输入满载输出情况下的传导噪声测试，测试标准为EN55015 B限值。从波形可知，该驱动器输入传导噪声可通过EN55015 B限值标准，且约有10dB的裕量。

　　

　　图20 LED球泡灯驱动器两根输入线（火线与零线）传导噪声测试波形

　　通过以上测试可知，采用英飞凌CE系列CoolMOS及综合解决方案设计的LED驱动器，在效率，调光性，EMI等方面都有极高的性能，同样地由于CE系列CoolMOS具有竞争力的成本使得该驱动器综合成本低，在市场是具有很高的竞争力。
　　总结
　　本文通过在充电器和LED球泡灯驱动器两个应用实例，验证了英飞凌CE系列CoolMOS非常适合应用在消费类电子产品和照明产品上。基于英飞凌超级结技术使得CE系列CoolMOS性能卓越，而定位于消费类电子产品和照明产品应用又保证了CE系列CoolMOS成本具有很强的竞争力。综上所述，英飞凌科技有限公司的CE系列CoolMOS是高性能消费类电子产品和照明产品半导体最佳解决方案。