側(cè)光式LED背光單元(BLU)功率要求

由于功耗較低、使用壽命較長(zhǎng)，發(fā)光二極管(LED)正在穩(wěn)步地替代古老的冷陰極熒光燈(CCFL)，用作液晶顯示(LCD)電視的背光源。為了給大尺寸LCD TV提供充足的亮度，背光照明需要大量串聯(lián)或并聯(lián)的LED陣列。鑒于LED的顆數(shù)和LED的串?dāng)?shù)可以減少，如今側(cè)光式(edge-lit)背光照明變得更加流行。在側(cè)光式背光照明中，需要高效且高升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)控制串聯(lián)的LED串。對(duì)于大尺寸電視的側(cè)光式背光單元，背光單元的邊緣約有36個(gè)串聯(lián)放置的LED（圖1）。

耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器是提供高比率電壓增益的可行性解決方案，與單級(jí)的升壓DC-DC轉(zhuǎn)化器相比，不會(huì)帶來(lái)極端的占空比，還可降低MOSFET導(dǎo)通損耗。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)耦合電感的匝比，可以使用BVDSS較低的MOSFET。如圖2所示，它在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期中有兩種運(yùn)作模式：在T0~T1期間，MOSFET開(kāi)啟，輸出整流器Dout是反向偏置的，磁化電感Lm由輸入電壓源以線性方式充電儲(chǔ)能；當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，在T1~T2期間，所有的磁化電流從初級(jí)繞組Np被反射進(jìn)入次級(jí)繞組Ns。此時(shí)，輸出整流器Dout是導(dǎo)通的，存儲(chǔ)在電感中的所有能量被傳送到輸出負(fù)載。

由公式1得出電壓轉(zhuǎn)換比：

  公式1

D是工作周期，n是耦合電感的匝數(shù)比：

              公式2

電荷平衡技術(shù)

圖3所示為額定電壓為30V和100V的傳統(tǒng)溝槽MOSFET的RDS(ON)分量的比較。對(duì)于100V的器件，RDS(ON)中外延分量百分比要大得多，而利用屏蔽柵極這樣的電荷平衡技術(shù)，外延電阻可以減小一半以上，同時(shí)不會(huì)增加總體Qg或Qgd分量。

圖4比較了傳統(tǒng)器件和屏蔽柵極溝槽器件的橫截面。后者通過(guò)整合一個(gè)屏蔽電極來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷平衡，支持該電壓區(qū)域的阻抗和長(zhǎng)度都被減小，從而大幅降低了RDS(ON)。

而且，屏蔽電極被置于柵極電極之下，這樣的結(jié)構(gòu)把傳統(tǒng)溝槽MOSFET底部的大部分柵漏極電容(Cgd或Crss)轉(zhuǎn)化為柵源極電容(Cgs)。因此，屏蔽電極就將柵極電極從漏極電勢(shì)中隔離開(kāi)來(lái)。

圖5比較了具有同等大小RDS(ON)的傳統(tǒng)MOSFET和屏蔽柵極溝槽MOSFET的電容分量，由于Crss減小，從關(guān)斷切換到導(dǎo)通狀態(tài)或從導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間縮短，因而開(kāi)關(guān)損耗被降至最低。特別指出，如圖6所示，減小Qgd可將器件同時(shí)加載高壓和大電流的時(shí)間縮至最短，從而減少開(kāi)關(guān)能耗。

另外，屏蔽層及其阻抗相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)建緩沖電阻(Rshield)和電容(Cdshield)網(wǎng)絡(luò)。

耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能提升

在用于46英寸以上側(cè)光式LED背光單元的從24V升壓至120V的耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，可以比較飛兆半導(dǎo)體100V額定電壓FDD86102屏蔽柵極和傳統(tǒng)溝槽MOSFET器件的性能。圖7顯示，采用飛兆半導(dǎo)體的屏蔽PowerTrench工藝，屏蔽器件具有出色的RDS(ON)和Qg性能。

在圖8和圖9中，F(xiàn)DD86102屏蔽Power Trench MOSFET的效率至少提高了3.5%，通過(guò)將傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗減至最低，器件具有更好的熱性能。

圖8 效率比較

圖9 24VIN、120VOUT、300kHz、500mA IOUT條件下的熱性能比較

總結(jié)

相比傳統(tǒng)溝槽MOSFET技術(shù)，飛兆半導(dǎo)體的中等電壓屏蔽柵極PowerTrench MOSFET技術(shù)把傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗減至最低，能夠達(dá)到更高的效率。