採MOSFET設計主動式OR 平衡功率耗損與斷開速度

目前在高階通訊設備上非常強調達成的不停機持續運轉時間，而對持續運轉時間的要求主要來自QoS受到系統停機時間過長，同時無法預測的大幅影響，應用在網路與通訊基礎建設骨幹上的系統，在設計上是以能用超高頻寬的速率來持續處理數據封包為目標，其中所傳輸的數據可能相當重要，例如由一家銀行傳遞到另一家的財務資訊，或是一家公司轉送到另外一家公司的資料，任何因電源或其他形式失效所造成的意外停機，都可能會因傳送資料的遺失而造成相當大的不便，因此在網路與通訊服務供應商以及基礎架構製造商的責任問題就變得相當複雜，也引發改善QoS問題的系統設計考量。  

改善QoS的一個方法是提供備用容錯電源(Redundant Power Supply)，備用容錯電源實現於各種網路與通訊設備上，也可應用在高階電腦系統中，主要基本原理是，如果其中一個電源失效，那麼備用電源將進行接管並繼續提供系統電源，因此系統並不會造成停機，同時對QoS的影響也能夠保持最低，甚至不存在。當輸入電源失效並形成短路時，系統必須能將它斷開以保護備用電源不被拖垮，否則在設計上加入備用電源的意義就不存在。傳統上實現備用電源的最有效方法是透過二極體以OR方式連接的解決方案，OR連接線路如圖1，通常應用在-48V系統上，雖然這是實現備用電源OR連接解決方案的有效方式，但卻存在幾個目前高階系統無法忍受的重要缺點，從而引發本篇文章將要討論主動式OR連接方案的發展。  

MOSFET提供電流雙向流動  

改善傳統採用二極體OR方式連接的一個作法是使用MOSFET，由於MOSFET是一個透過閘極驅動訊號控制斷開或導通的主動式元件，因此需要一個外部晶片加以控制，透過使用MOSFET，在前向導通功率耗損上可獲得重大的改善，也因此，在150W～300W以上功率的-48V電源應用上，可使用相當小型的SO-8或DirectFET封裝的表面黏著式MOSFET元件，但對主動式OR連接設計解決方案(圖2)來說，關鍵要求是MOSFET的斷開速度，由於MOSFET的導通通道允許雙向的電流流動，因此這一點相當重要。如前面所提，如果發生輸入電源失效的情況，那麼電流將會轉向，這時如果採用MOSFET，電流將以相反方向流動，造成輸入電壓開始下降，更糟的情況是，如果採用較差的主動式OR連接解決方案，短路的輸入會將備用電源的電壓拉低。因此，要形成有效的主動式OR連接解決方案，晶片必須能監測系統的狀態，並在輸入電源失效時快速針對反向電流反應，並盡快將MOSFET斷開。  

主動式OR連接控制晶片為一整合MOSFET驅動電路的高速控制器，晶片的輸出電壓則用來驅動MOSFET，輸出電壓的大小取決於輸入端的電壓差極性，主動式OR連接晶片的兩個輸入端，INN與INP分別連接到MOSFET的汲極與源極，持續測量MOSFET兩端的電壓，如果輸入電源失效，電流會快速改變流經MOSFET的方向，並會開始產生相反極性的電壓，而當這電壓超過晶片上所設定的偏移電壓時，晶片將自動斷開MOSFET。在採用國際整流(IR)的新主動式OR連接控制驅動器IR5001S時，斷開速度約為130ns，也就是在-48輸入電源上所造成的干擾低於2V(圖3)。  

依功率等級選擇不同封裝元件  

當使用低導通電阻，例如22mOhm(Max)的100V級MOSFET如IRF7495時，假設電流為4A，前向電壓約為85mV，功率耗損則約在370mW，可使用相當小型的SO-8包裝MOSFET來達成，採用D2Pak或TO-220包裝的傳統蕭特基二極體OR連接解決方案，可以得到大約600mV的前向電壓與2.4W的耗損，溝槽型蕭特基二極體元件雖可提供比傳統二極體更好的效能，但仍有370mV的前向電壓與1.48W的功率耗損，代表採用MOSFET的主動式OR連接解決方案在功率耗損上可比傳統蕭特基二極體解決方案低85%，同時比溝槽型蕭特基二極體解決方案低75%。對不同的功率等級應用，通常建議選用約50mV前向壓降的MOSFET元件，這能帶來斷開狀態下直流導通耗損以及動態響應間的最佳平衡，並提供系統快速的保護。新的100V中型Can式DirectFET MOSFET IRF6644可為達300W更高功率等級的主動式OR連接解決方案帶來更佳的效能，而採用小型Can式DirectFET封裝的IRF6655則可以為約30W到60W的功率等級應用帶來良好效能，中型Can式DirectFET將取代並接式的SO-8，而比SO-8尺寸小50%的小型Can式DirectFET則將取代SO-8的效能。透過採用主動式OR連接所節省的功率耗損可將整體系統電路板的效率提升達1.3%，同時也可讓功率解決方案以表面黏著式包裝實現，免除提高製造成本與布線複雜度的笨重貫孔式包裝元件與散熱器，同時，在某些基礎建設應用設備，例如行動電話基地台上可能會由許多需要備用容錯電源的通訊電路卡，這些系統中可能會有超過50～100片的電路板，同時每片都需要一個OR連接解決方案，在此情況，只要採用主動式OR連接方式就能節省高達200W的系統耗電，除能節省功率消耗並改善效率外，另一好處則是可節省電路板空間，主動式OR連接解決方案使用兩個SO-8大小元件，一是控制晶片，另一則是MOSFET，而二極體OR連接解決方案則可能使用D2Pak或搭配散熱器的貫孔式TO-220元件，因此主動式OR連接解決方案可節省電路板空間達50%，在功率等級低於60W應用上，甚至可使用小型Can式DirectFET的IRF6655，帶來50%以上的空間節省。  

50mV前向壓降可平衡功率耗損與斷開速度  

在為較低功率系統選用主動式OR連接解決方案的MOSFET時，一個良好的設計習慣是選擇可達成約50mV範圍前向壓降的MOSFET元件，原因是主動式OR連接解決方案的斷開速度是由FET上，因反向電流經時所產生的反向極性所決定，如果採用超低導通電阻的MOSFET，那麼反向電壓形成時間就更久，特別在低電壓系統上，因此要取得導通狀態功率耗損與斷開速度間的最佳平衡，就不一定要選擇導通電阻最低的MOSFET，遵守此重要設計定律還能節省解決方案成本。  

主動式OR連接解決方案的一個重要要求是要讓設計變得簡單，基本上這個解決方案必須能夠取代擁有兩個端點的二極體元件，因此晶片與MOSFET必須要小，同時腳位數也要盡可能降低，新推出的IR5001S就是一個只須外加兩個被動元件就可運作的8pin元件。  

(本文作者任職於國際整流器)  

(詳細圖表請見新通訊60期2月號)