Константин Староверов
Статья посвящена MOSFET-транзисторам производства компании Texas Instruments, выполненным по новой технологии NexFET. Эта технология существенно улучшает характеристики транзисторов и открывает широкие возможности по совершенствованию низковольтных сильноточных DC/DC-преобразователей.
Низковольтные MOSFET-транзисторы – одни из самых востребованных силовых полупроводниковых приборов. Благодаря малым потерям, простоте управления и отличному быстродействию, они незаменимы в каскадах преобразования и распределения постоянного напряжения компьютерной техники, телекоммуникационного и промышленного оборудования, а также портативной электронной техники. Известными новаторами в области производства низковольтных MOSFET-транзисторов являются компании International Rectifier, NXP, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor и Vishay. Конкуренцию данным компаниям теперь также составляет Texas Instruments, которая после поглощения в начале этого года компании CICLON Semiconductor Device обладает ассортиментом MOSFET-транзисторов, выполненных по инновационной технологии NexFET. Прежде компания Texas Instruments была известна, среди прочего, как поставщик интегральных схем ШИМ-контроллеров и драйверов. Теперь же, после добавления к выпускаемому ассортименту MOSFET-транзисторов, компания готова предложить полный комплект активных компонентов, необходимых для построения современного DC/DC-преобразователя (см. рисунок 1).
Рис. 1. Компоненты TI для построения DC/DC-преобразователей
Как известно, для изготовления MOSFET-транзисторов применяются две распространенных технологии: планарная и Trench. Первые планарные MOSFET-транзисторы были разработаны в Японии в начале 1970-х годов. Несколько позже, в 1976 году, компания Siliconix (в настоящее время собственность Vishay) представила первые в мире мощные MOSFET-транзисторы MOSPOWER, которые отличались от планарных вертикальным протеканием тока и наличием паза в структуре кристалла. Последняя особенность дала название технологии изготовления подобных транзисторов - Trench. Благодаря малой занимаемой кристаллом площади (что способствует повышению плотности мощности) и малому сопротивлению открытого канала RDS(ON) (что помогает снижению потерь), Trench-транзисторы полностью вытеснили планарные транзисторы из силовых коммутационных каскадов. Однако первые Trench-транзисторы обладали достаточно большим зарядом затвора (QG). Это приводило к повышенным потерям при коммутации и долгое время сдерживало возможности реализации высокоэффективных преобразователей напряжения, компактность размеров которых достигается за счет использования высоких частот преобразования (сотни килогерц - единицы мегагерц). Для преодоления данного недостатка большинство производителей выбрали путь оптимизации структуры и технологии изготовления MOSFET-транзисторов. В отличие от них, будучи еще самостоятельной, компания CICLON Semiconductor Device избрала иной путь. Она разработала абсолютно новую структуру MOSFET-транзисторов (см. рисунок 2), которые теперь входят в ассортимент продукции Texas Instruments под брендом NexFET. Новая технология уникальным образом сочетает преимущества планарных транзисторов и вертикального протекания тока. В результате они обладают как малым сопротивлением открытого канала, так и очень малым зарядом затвора. Эти особенности позволяют создавать более высококачественные преобразователи напряжения с высоким КПД преобразования в широком диапазоне нагрузок, малыми размерами и возможностью работы с малым заполнением импульсов. Кроме того, технология NexFET позволяет создавать одинаково высококачественные как n-канальные MOSFET-транзисторы, так и p-канальные.
Рис. 2. Эволюция структур мощных MOSFET-транзисторов
Ассортимент транзисторов NexFET приведен в таблице1.
Таблица 1. Ассортимент и основные характеристики транзисторов NexFET
|
Наименование |
Канал |
ID |
VDS, |
VGS, В |
Типичное RDS(ON), мОм |
Типичное |
Типичное |
R qJC, |
R qJA, |
||||
|
VGS=10 В |
4.5 В |
2.5 В |
1.8 В |
1.5 В |
|||||||||
|
Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1×1) |
|||||||||||||
|
CSD23201W10 |
P |
2.2 |
12 |
5 |
— |
66.0 |
77.0 |
— |
110.0 |
1.9 |
0.4 |
245 |
125 |
|
Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1×1.5) |
|||||||||||||
|
CSD25301W1015 |
P |
2.2 |
20 |
8 |
— |
62.0 |
80.0 |
— |
175.0 |
2.0 |
0.32 |
270 |
105 |
|
Сдвоенные транзисторы с общим истоком (в корпусе WLP 1×1.5) |
|||||||||||||
|
CSD75301W1015 |
P |
1.2 |
20 |
8 |
— |
80.0 |
101.0 |
150.0 |
— |
1.5 |
0.3 |
136 |
93 |
|
Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 3×3) |
|||||||||||||
|
CSD16411Q3 |
N |
60 |
25 |
16 |
8 |
12 |
— |
— |
— |
2.9 |
0.7 |
2.7 |
58 |
|
CSD16409Q3 |
N |
60 |
25 |
16 |
6.2 |
9.5 |
— |
— |
— |
4.0 |
1.0 |
3.5 |
59 |
|
CSD16406Q3 |
N |
60 |
25 |
16 |
4.2 |
5.9 |
— |
— |
— |
5.8 |
1.5 |
2.7 |
58 |
|
CSD16323Q3 |
N |
60 |
25 |
10 |
— |
4.4 |
— |
— |
— |
6.2 |
1.1 |
2.7 |
58 |
|
CSD25401Q3 |
P |
60 |
20 |
12 |
— |
8.7 |
13.5 |
— |
— |
8.8 |
2.1 |
2.8 |
57 |
|
Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 5×6) |
|||||||||||||
|
CSD16412Q5A |
N |
52 |
25 |
16 |
9.0 |
13.0 |
— |
— |
— |
2.8 |
0.7 |
3.7 |
53 |
|
CSD16410Q5A |
N |
59 |
25 |
16 |
6.8 |
9.6 |
— |
— |
— |
3.9 |
1.1 |
3.8 |
52 |
|
CSD16404Q5A |
N |
81 |
25 |
16 |
4.1 |
5.7 |
— |
— |
— |
6.5 |
1.7 |
3.3 |
52 |
|
CSD16413Q5A |
N |
100 |
25 |
16 |
3.1 |
4.1 |
— |
— |
— |
9.0 |
2.5 |
2.6 |
51 |
|
CSD16403Q5A |
N |
100 |
25 |
16 |
2.2 |
2.9 |
— |
— |
— |
13.3 |
3.5 |
1.8 |
51 |
|
CSD16407Q5 |
N |
100 |
25 |
16 |
1.8 |
2.5 |
— |
— |
— |
13.3 |
3.5 |
1.1 |
51 |
|
CSD16414Q5 |
N |
100 |
25 |
16 |
1.5 |
2.1 |
— |
— |
— |
16.6 |
4.4 |
1.1 |
50 |
|
CSD16401Q5 |
N |
100 |
25 |
16 |
1.3 |
1.8 |
— |
— |
— |
21.0 |
5.2 |
1.1 |
50 |
|
CSD16322Q5 |
N |
97 |
25 |
10 |
— |
4.6 |
— |
— |
— |
6.8 |
1.3 |
2.4 |
50 |
|
CSD16321Q5 |
N |
100 |
25 |
10 |
— |
2.1 |
— |
— |
— |
14 |
2.5 |
1.1 |
48 |
|
CSD16325Q5 |
N |
100 |
25 |
10 |
— |
1.7 |
— |
— |
— |
18 |
3.5 |
1 |
50 |
Здесь представлены p- и n-канальные транзисторы в корпусах двух типов (см. рисунок3). P-канальные транзисторы, как известно, предназначены для построения коммутаторов, включенных в разрыв положительной линии питания. В современной электронике такие устройства находят широкое применение в каскадах коммутации и защиты батарейного источника, в зарядных устройствах, а также в каскадах коммутации нагрузок общего назначения. На основе p-канальных транзисторов также возможна реализация простых понижающих DC/DC-преобразователей и линейных стабилизаторов напряжения.
Рис. 3. Внешний вид и расположение выводов транзисторов NexFET
В ассортименте NexFET имеется всего четыре p-канальных транзистора. Чтобы оценить преимущества технологии NexFET для построения p-канальных транзисторов, обратимся к сравнению с лучшими конкурирующими решениями. Так, например, ближайшие аналоги транзистора CSD23201W10, которые при напряжении управления затвором 4.5 В обладают близким к 66 мОм сопротивлением открытого канала, в том числе IRLML6402 (International Rectifier) и Si8401DB (Vishay), характеризуются зарядом затвора 8 и 11 нКл соответственно. Помимо существенно улучшенных рабочих характеристик, транзисторы NexFET также отличаются меньшей занимаемой площадью (например, занимаемая площадь упомянутого Si8401DB составляет 1.6×1.6= 2,56 мм2 против 1 мм2 транзистора CSD23201W10). Если же выбрать за основу для сравнения типоразмер корпуса, то транзисторы NexFET будут превосходить конкурентов не только по заряду затвора, но и по сопротивлению канала. В частности, транзистор Si8461DB (Vishay) в корпусе MICRO FOOT 1×1 при напряжении управления затвором 4.5 В характеризуется сопротивлением открытого канала 100 мОм и зарядом затвора 9.5 нКл (против 66 мОм и 1.9 нКл CSD23201W10 соответственно). Более серьезный конкурент для CSD23201W10 был представлен компанией Fairchild в августе текущего года. Данный транзистор (FDZ371PZ) размещен в корпусе аналогичного CSD23201W10 типоразмера 1×1 мм и характеризуется более низким RDS(ON) (55 мОм). Тем не менее, по параметру QG (12 нКл) FDZ371PZ существенно отстает от своего конкурента. В ассортименте NexFET также имеется один сдвоенный p-канальный транзистор, который предоставляет возможность дальнейшей миниатюризации каскадов с многоканальной коммутацией напряжений. Замыкает линейку p-канальных приборов сильноточный транзистор CSD25401Q3. Если взять за основу для сравнения типоразмер корпуса этого транзистора (3×3 мм), то выяснится, что он не имеет аналогов. Например, если обратиться к каталогу International Rectifier, то окажется, что даже в типоразмере 3×6.4 мм лучший транзистор (IRF7701) характеризуется RDS(ON)=11 мОм и QG=69 нКл (против 8.7 мОм и 8.8 нКл CSD25401Q3). Таким образом, превосходство p-канальных транзисторов NexFET по комплексному показателю качества RDS(ON) QG можно ожидать в пределах 4...10 раз.
В группе n-канальных транзисторов NexFET представлены изделия в двух типоразмерах корпуса QFN. Здесь также можно выделить две подгруппы: CSD163хх и CSD164хх. Транзисторы CSD163хх отличаются тем, что они оптимизированы для напряжения управления затвором 5 В. Целевыми областями применения всех данных транзисторов являются понижающие низковольтные DC/DC-преобразователи, в том числе – с каскадом синхронного выпрямления. Такие преобразователи широко применяются для построения локализованных к нагрузке импульсных стабилизаторов напряжения (POL-стабилизаторы) в компьютерной технике и телекоммуникационном оборудовании. Транзисторы NexFET обладают значениями RDS(ON) на уровне лучших промышленных аналогов и при этом существенно превосходят их по значениям QG (см. таблицу 2).
Таблица 2. Сравнение n-канальных транзисторов NexFET с аналогичными новинками других производителей
|
Наименование |
Производитель |
Описание |
Аналог |
Описание |
|
IRFH3707 |
International Rectifier |
Корпус: QFN (3×3 мм) |
CSD16411Q3 |
Корпус: QFN (3×3 мм) |
|
STL150N3LLH6 |
STMicroelectronics |
Корпус: PowerFLAT (5×6 мм) |
CSD16407Q5 |
Корпус: QFN (5×6 мм) |
|
FDMS7650 |
Fairchild |
Корпус: Power 56 (5×6 мм) |
CSD16321Q5 |
Корпус: QFN (5×6 мм) |
Данное превосходство открывает широкие возможности совершенствования понижающих DC/DC-преобразователей. Во-первых, частота преобразования, которая совместно с QG определяет потери от коммутации, может быть повышена как минимум вдвое без ухудшения КПД преобразования. Убедиться в этом поможет рисунок 4, где сравниваются суммарные потери мощности транзисторов NexFET и обычных MOSFET-транзисторов, которые работают в одинаковых условиях в составе понижающего DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямлением.
Рис. 4. Сравнение потерь мощности (Vвх= 12 В, Vвых= 1.3 В, Iвых= 25 A, Lвых= 0.3 мкГн, TA= 25°C)
В свою очередь, рост частоты преобразования способствует существенному снижению размеров выходного LC-фильтра и стоимости образующих его компонентов. Во-вторых, простой заменой транзистора на NexFET без изменения частоты преобразования можно добиться снижения потерь и, как следствие, повышения КПД преобразования во всем диапазоне нагрузок. И, наконец, в-третьих, благодаря более эффективной работе, транзисторы NexFET подвержены меньшему нагреву, благодаря чему упрощается управление тепловыми режимами конечного изделия и повышается его надежность.
Заключение
Транзисторы NexFET обладают значениями RDS(ON), которые близки к лучшим промышленным аналогам, но при этом существенно превосходят их по значениям QG. Данное превосходство можно назвать настоящим прорывом в улучшении рабочих характеристик MOSFET-транзисторов, который позволит существенным образом улучшить эксплуатационные характеристики каскадов преобразования напряжения, в том числе занимаемую ими площадь, тепловые режимы, эффективность преобразования, надежность и др. По ожиданиям производителя, транзисторы NexFET позволят уверенно преодолеть уровень частоты преобразования в 1 МГц при работе с сильноточной нагрузкой и с малым заполнением импульсов.
Еще один прорыв, связанный с технологией NexFET, заключается в возможности изготовлении комплементарных пар транзисторов с равновысокими рабочими характеристики (прежде p-канальные транзисторы обладали несколько худшими рабочими характеристиками по сравнению с n-канальным из одной комплементарной пары).
В будущем на основе технологии NexFET компания TI планирует создать завершенные решения DC-DC-преобразователей. Компания также планирует оптимизировать линейку ШИМ-контроллеров с учетом совместной работы с транзисторами NexFET.
