CPU电源电路用沟槽栅MOSFET与e-JFET开关管的功耗对比

摘要：本文主要针对低压功率开关管的功耗进行了理论分析，并在此基础上分别对两种典型结构的沟槽栅MOSFET和e-JFET在不同工作频率下的功耗分布和总功耗进行了定量的仿真计算和对比。通过研究发现，在一定工作条件下，常闭型e-JFET比目前常用的沟槽栅型MOSFET仅开关功耗就降低约24%，总功耗则降低约30%。将其运用于CPU电源电路中的开关功率管的制造，在高频领域有着极好的应用前景。

关键词：沟槽栅e-JFET；沟槽栅MOSFET；功耗

Abstract: This paper analyses the power consumption of power devices that are applied in the field of low voltage operation and high frequency in theory，calculating two typical structures,trench MOSFET and enhanced-Junction Field Effect Transistor （e-JFET）. It is verified through simulation that the e-JFET device has lower switch power consumption （24% reduced） and total consumption （30% reduced） compared with trench MOSFET structure.

Key words: Trench e-JFET; Trench MOSFET; Power consumption

1引言

现在，个人电脑的年销售量已经超过一亿台，性能还在迅速提高。作为其核心部件的CPU也在不断更新。CPU所需电源电压越来越低，而由于CPU性能提高，它所需供电电流越来越大。自1999年至今，瞬态响应要求已经从20 A/μs提高至325 A/μs左右，2004年已达到400 A/μs[1]。目前CPU 电压已降到约1 V，最大容量的笔记本电脑消耗的电流可达20 A，并且一般需要多个MOSFET并联。多种服务器和最大容量台式电脑需要60～90 A，而具有新一代处理器的CPU即将超过100 A[2]。

在便携计算机内部为CPU 供电的电源电路如图1所示，它是利用单相Buck电路把12 V左右的初级整流电压降到1.3 V，甚至更低。电路中功率管Q1的通/断时间比决定降压量，Q2在Q1关断期间为电感续流，它们在各自导通期间通过的电流与CPU基本相同。该电源电路的开关工作频率应尽可能高，以减小CPU在各种不同工作状态间变化时电流大幅剧变引起的端电压波动（如从休眠态到工作态），尤其重要的是可以将占有很大空间的滤波电容和电感的体积显著减小。目前Q1、Q2的耐压公认需30 V，正研究向20 V过渡；电源电路工作开关频率为几百kHz，正向1 MHz逼近。实际上台式电脑和服务器的CPU电源电路与此相同，只是多相供电和多功率管并联以满足CPU更大电流的需要，而电路中所用的功率管是完全一样的，因此对功率管的研究对台式电脑、服务器等具有普遍的实用意义。

低压供电必然要求具有低压输出的供电电源，对于电源设计者来说，设计功耗小、成本低的低压电源面临着很多挑战。这种挑战主要体现在用于电源电路的功率器件上。功率器件需要工作在高频大电流状态下而同时功率损耗不能太大，这种要求对半导体器件是十分苛刻的。因此，研究并找到适合于这种用途的高性能的功率器件是十分必要的。目前使用的是亚微米沟槽栅MOSFET, 最近有人提出用亚微米沟槽栅JFET。本文第一次对此进行了定量的研究与比较。

2功率开关器件功耗的组成与计算

在为微处理器供电的单相同步降压型Buck电路中，作为控制管的Q1只是在很短的时间内导通，所以其开关功耗远大于导通功耗，这就要求使用具有较低栅极电荷和栅漏电容的器件作为Q1管来提高开关速度；而作为同步管的Q2的作用是在Q1关断期间为电感续流，由于它在大部分时间为导通状态，所以其导通功耗远高于开关功耗，因而需要具有低通态电阻的器件作为Q2管。需要说明的是，对同一类器件若要降低栅电荷，就会使通态电阻增加，所以研究过程中需要对两者进行折中考虑。用MOSFET作同步管和控制管所组成的buck电路，其电路总功耗主要是有以下几部分所组成，见图2。

可见，在buck电路中，开关管Q1和Q2的功率损耗合计约占总功耗的一半以上，其中，控制管更是占三分之一以上，所以说如果能降低Q1的功耗，那么对于总功耗的降低将带来十分重要的影响。以Buck电路中功率管Q1为例，功率损耗主要由以下几部分组成：

P ＝ P通态＋ P开启＋ P关断＋ P驱动

＝（Id2×Rds on） +（I×Qon /Ig×Vin×f） + （I×Qoff /Ig× Vin × f）+（Qg × Vg × f）

其中，

P通态: 开关管导通时间内的漏源功率损耗；

P开启: 开关管开启时间内的漏源功率损耗；

P关断: 开关管关断时间内的漏源功率损耗；

P驱动: 驱动电路造成的栅源功率损耗；

Id：漏电流；

Rds on：漏源导通电阻；

Qon，Qoff：开关时期栅端电荷；

Qg：栅电荷；

Vin：输入电源电压；

Vg: 栅源电压；

F：工作频率（1/T）。

计算影响开关器件的开关功耗和开关速度的主要因素是栅电荷Qg。Qg包含两部分: 一部分是栅-源之间的电荷Qgs，另一部分是栅-漏之间的电荷Qgd。功率管在开、关两状态间变化时，栅漏电容Cgd上的电压变化远大于栅源电容Cgs上的电压变化，相应的充、放电电荷量Qgd较大，所以Qgd对开关速度的影响较大，因此如果能降低栅漏电容，从而降低栅电荷，就可以在高频工作状态下提高开关速度，降低

器件的开关功耗。

上面给出的计算功耗的解析表达式物理概念清晰，但是实际用于精确计算十分困难, 因为其中许多器件参数在开关过程中是变化的, 不能确切知道的。因此, 本文用计算机仿真的方法进行计算与比较。计算使用的计算器件功耗的软件为ISE，它可以根据器件的实际结构（器件中各区域的尺寸、掺杂浓度等）计算在电路中的功耗。计算藉助SUN工作站进行。

3被比较的器件结构

3.1 沟槽栅MOSFET结构

目前CPU电源电路所用的功率开关管是沟槽栅MOSFET器件。MOSFET是依赖多数载流子导电，没有少数载流子的复合，开关速度可以很快。沟槽栅MOSFET结构如图3所示，由于采用沟槽栅结构，相比于传统表面栅型MOSFET，其在低压运用时有较大影响的JFET电阻被消除，从而使其通态电阻大为降低。同时，随着加工工艺的不断改善，沟槽栅MOSFET的原胞尺寸也在不断减小，单位面积沟道数增加使沟道电阻减小，可以使通态电阻进一步降低。

影响功率MOSFET开关速度的主要因素是开关电荷，直观看来表现为电容的影响。电容主要包括栅源电容Cgs，漏源电容Cds，以及栅漏电容Cgd，在这里输入电容Ciss = Cgd + Cgs。采用沟槽栅结构的MOSFET相比于原先的表面栅结构，由于沟道数增加使单位面积栅电荷Qg增加，特别是栅漏电容的增加。因此降低了通态电阻的同时付出的代价是同时降低了开关速度，增大了开关功耗。

在仿真设置中，所取的MOSFET主要结构参数参考，其台面宽度为1.6μm，槽宽0.4μm，槽深1μm，N型器件，漏源反向击穿电压约为23 V。

3.2 沟槽栅e-JFET 结构

e-JFET是增强型结型场效应管（enhanced - Junction Field Effect Transistor）的简称。常规e-JFET可以做成沟槽栅型，以增加沟道密度从而减小通态电阻，其基本结构如图4所示。e-JFET器件的工作原理就是通过改变栅极和漏极电压来改变沟道势垒高度，从而控制通过沟道的多数载流子的数量，实现对沟道电流的控制。在栅源之间零偏压时栅沟PN结的耗尽层就会相互交叠而夹断沟道，实现常闭状态，所以器件也称为常闭型JFET。

当器件导通工作时，加正偏压的栅极将会注入大量的空穴，产生高度电导调制，使通态电阻显著减小。同时通过采用离子注入工艺可以精确地控制P+区的形状，使得沟道长度减小从而达到降低通态电阻的目的。e-JFET具有优良的高频特性和高速开关特性，通过在器件结构上由于采用了纵向结构使源层和漏层相分离，器件具有很高的耐压；e-JFET为多子传输器件，在大电流下具有负温度系数，可以避免热不稳定性二次击穿，因而特别适合于制造各种功率晶体管。

可以看出，根据各自结构特点，MOSFET和e-JFET在制作功率开关管时体现的优势也有相应不同，但是对于功耗方面，特别是不同工作频率下的功耗分布，以及总功耗的对比上，目前还未看到较为准确的分析数据。本研究正是针对以上问题，以两种典型结构为基础，围绕着不同工作频率下的功耗分布和总功耗，进行了合理有效的仿真实验。

仿真所取的JFET的器件主要结构参数为: 台面宽度为0.5μm，槽宽0.6μm，槽深0.5μm。与以上所要对比的MOSFET同为N型器件，漏源击穿电压约为23 V。

4仿真结果与分析

在研究中，针对以上沟槽栅e-JFET和沟槽栅MOSFET两种典型结构，用ISE-TCAD 8.0系列软件进行了器件功耗性能的仿真。

仿真软件ISETCAD，是用三维画图的方法模拟器件的理想结构；用工艺流程的方法模拟器件的实际结构；用添加物理模型的方法仿真器件的实际物理特性，最后可以自动生成仿真特性曲线或内部载流子、电流、电场等分布情况。

该软件的仿真基础为半导体器件物理中的三个基本方程: 泊松方程、电流连续性方程和玻尔兹曼输运方程。ISE的仿真依据为器件物理中的诸多现象和效应，具体表现为该软件拥有丰富的器件仿真模型可供选择，仿真模型的不同必然会导致仿真结果的不同。根据ISE工具的仿真特性，本实验主要用到了（1）载流子产生－复合模型，包括：Shockley-Read-Hall复合模型，Auger复合模型，雪崩产生模型；（2）迁移率模型，包括：迁移率－掺杂浓度关系模型，强场饱和度迁移率－电场关系模型，迁移率载流子浓度关系载流子对载流子散射模型；（3）半导体能带结构模型，包括: 禁带变窄模型，有效本征态密度nie。仿真所取电路条件相同，漏源电压Vcc = 12 V，栅极输入电压Vin = 10 V ，栅极串连电阻为2Ω，芯片面积都为3 mm2，在同一测试电路下，分别对于不同的工作频率，f = 200 kHz，500 kHz， 800 kHz，和1 MHz，对两种器件的总功耗进行了仿真计算。其对比结果如图5所示。

图5显示，当器件工作在200 kHz时，MOSFET 在功耗方面体现出较大优势，但是，随着频率的升高，在即将接近500 kHz时，两者比较，e-JFET的总功耗就开始低于MOSFET 器件。实际计算结果是，在f = 500 kHz时，e-JFET功耗比MOSFET器件降低2%；随着工作频率继续升高，比较优势愈加明显。根据实测数据，在工作频率f = 1 MHz时沟槽栅e-JFET和沟槽栅MOSFET功率器件的功耗具体分布和总功耗的比较如表1所示。

从仿真结果可以看出，在两者反向击穿电压几乎相同的前提下，沟槽栅e-JFET对比沟槽栅MOSFET通态功耗大。但是，同时也是更重要的是，其开关功耗以及驱动功耗方面均比MOSFET有较大幅度的降低，特别是开关过程的功耗的降低，幅度非常明显。经计算，相比于沟槽栅MOSFET器件，典型结构的沟槽栅e-JFET器件的开关过程功耗降低了约24%。随着工作频率的升高，开关速度越快，器件工作在通态时间越小，从而开关过程的功耗降低对于总功耗的影响也越来越明显。仅就表1的数据结果可以看出，在1 MHz的工作频率下，e-JFET功率半导体管的总功耗相比于MOSFET已经大幅降低，总功耗降低幅度大约为30%。

根据图2的功耗分布显示，控制管Q1的功耗约占全部buck电路功耗的36%左右，据此可以估算出，如果使用e-JFET设计，将使电源电路总功耗有约10%以上的节省，这是十分显著的成果。

5结论

对于工作电压为1 V或以下且对时钟速度和电流需求更高的下一代微处理器的电源电路而言，开关速度是满足供电要求的关键因素。工作频率高的电路要求电容电感的冲放电时间缩短，达到更高的开关速度，意味着更低的开关损耗。如今，并在可以预见的未来，开关速度和开关功耗正在逐步成为电源应用的决定性因素。

本文针对低压功率开关管中目前普遍使用的沟槽栅MOSFET和一种典型结构的沟槽栅e-JFET两者的工作功耗进行了原理分析，并在此基础上进行了合理有效地仿真，得出了不同工作频率下的功耗分布和功耗对比。

通过仿真测试得知，在工作频率为1 MHz的条件下，e-JFET比目前的先进的沟槽栅MOSFET的仅开关功耗一项就降低约24%，如计算包括开关功耗，驱动功耗和通态功耗在内的总功耗则降低多至30%。预计未来CPU电源工作频率将达到1 MHz甚至更高，根据以上计算可以得到结论，用沟槽栅e-JFET器件替代现在用的沟槽栅MOSFET具有很大的优越性，将是大势所趋。

（本文曾在《电力电子》杂志上发表，经作者同意，予以转载）

参考文献

[1]．“Angel Gentchev. Designing high-current VRMcompliant CPU power supplies”, EDN, October 26,2000.

[2]．[3]．“为下一代GHz 级处理器提高DC-DC 变换器效率International Rectifier”， www.省略/pdf/appnote