摘要： 英飛凌CE系列CoolMOS 是英飛凌公司專為消費類電子產品和照明產品推出的高壓功率MOSFET。該系列MOSFET基于英飛凌超級結技術平臺，性能出色；而該系列經過成本優化，極佳的性價比保證其在消費和照明這類價格極其敏感的產品市場中依然具有極強的競爭力。本文通過CE系列MOSFET在充電器和LED球泡燈上的應用實例驗證了該系列產品的優異性能。

　　前言

　　現代科技的進步使得消費類電子產品層出不窮，智能手機，平板電腦，電子閱讀器，LCD/LED電視，筆記本電腦等產品已經大量普及，可穿戴設備，物聯網，智能家居等新產品，新互聯理念方興未艾。與此同時功率電力電子技術及半導體技術的進步使得新型照明產品-LED燈深入千家萬戶。LED燈具有高效節能，光轉換效率高，壽命長，綠色環保，色彩豐富等特點，因此已經逐漸取代鎢絲燈，熒光燈等傳統光源。相應地國內，國際相關組織及協會對于這些電子產品的電源轉換效率，EMI等特性越來越關注，相關標準也越來越嚴格，這對相關的設計者提出了更高的要求。如何設計這類電源轉換裝置確保性能滿足要求同時價格低廉成為設計者最大的挑戰。

　　英飛凌產品解決方案

　　英飛凌科技有限公司（以下簡稱英飛凌）作為全球技術領先的半導體和功率電子綜合解決方案公司，已經意識到以上技術趨勢及對設計者的挑戰。從2011年開始陸續推出了針對此類應用的 CE系列CoolMOS（英飛凌高壓MOSFET注冊商標）及ICL8001/02G，ICB2FL01/02/03G，BCR，ILD系列LED燈控制IC及照明IC。作為核心的功率控制開關，CE系列CoolMOS以其優異的性能和極佳的性價比，迅速獲得業界的認可。同時通過CE系列CoolMOS與控制IC的完美結合，英飛凌的綜合解決方案也在業界得到廣泛的應用。

　　圖1為CE系列CoolMOS產品概況，耐壓范圍涵蓋500V，600V，650V及800V，是英飛凌CoolMOS系列中電壓范圍最寬的產品之一。直流導通電阻范圍為0.19歐姆至3歐姆，以滿足不同的功率等級及應用場景需要。CE系列CoolMOS適合的應用領域包括適配器/充電器，計算機及服務器電源，電視電源，LED燈驅動等消費類電子產品及照明產品，而其適用的功率轉換拓撲極多，包括硬開關反激，準諧振反激，PFC電路，雙管正激及LLC等軟開關拓撲，這給電源轉換裝置設計者以極大的便利：可根據設計要求選定不同的電路方案，而功率開關卻只需限定一種即可。

　　圖1 CE系列CoolMOS概況

　　CE系列CoolMOS基于英飛凌超級結（superjunction）技術平臺開發，而目前市場上多數應用于消費類電子產品和照明產品的功率MOSFET技術為標準MOSFET技術。超級結技術相比標準MOSFET技術，在多個關鍵參數上具有明顯優勢。

　　1. RDS（on）（漏源導通電阻）更低，導通損耗更低。 圖2為傳統標準MOS與CoolMOS在不同漏源耐壓等級下漏源導通電阻與芯片面積積（RDS（on）×A）（在相同的芯片面積下等效于漏源導通電阻）對比情況，同時也給出了采用傳統技術的“硅極限”曲線。從圖中可知，采用傳統標準工藝的MOS其漏源導通電阻隨著耐壓的增加而迅速增加，且無法小于理論的“硅極限”，而采用超級結技術的CoolMOS產品不但漏源導通電阻與芯片面積積遠低于傳統標準MOS及“硅極限”，而且基本不隨耐壓等級的上升而上升，因此CoolMOS在相同芯片面積下直流導通電阻更小，而相同直流導通電阻下芯片面積更小，即成本更低。

　　2. 寄生電容（Ciss，Crss，Coss）更低，開關特性更好，損耗更低。圖3顯示了CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）與漏源導通電阻接近的標準MOSFET在寄生電容上的對比情況，圖中實線為CE系列CoolMOS，虛線為標準MOSFET，從圖中可知CE系列CoolMOS的三個寄生電容Ciss（等效輸入電容），Crss（等效轉移電容/米勒電容）及Coss（等效輸出電容）都小于相應的標準MOSFET的電容。CE系列CoolMOS之所以有更低的寄生電容，同樣是因為采用了超級結技術。由圖2可知，在漏源導通電阻接近的情況下，采用超級結技術MOSFET的芯片尺寸更小，那么相應地寄生電容也更小。更小的Ciss和Coss確保驅動損耗和開關損耗更低；更小的Crss使得MOSFET門極振蕩更小，可靠性更高，EMI特性更好。

　　3. 門極電荷更小，驅動損耗更低，開關速度更快。圖4為CE系列CoolMOS與標準MOSFET門極電荷隨漏源導通電阻變化的對比，由圖可知CE系列CoolMOS在不同漏源導通電阻下的門極電荷都低于標準MOSFET的門極電荷，平均低40%左右。門極電荷更小，意味著相同驅動電壓和頻率下驅動損耗更小；相同驅動電流下MOSFET的開關速度更快；這都確保CE系列CoolMOS的損耗更低，效率更高。

　　4. 輸出電容存儲的能量更低，損耗更低。圖5為CE系列CoolMOS（IPS65R1K5CE）與標準MOSFET輸出電容存儲能量Eoss對比情況。從圖可知在漏源電壓較高（>120V）情況下（對于高壓MOSFET，其漏源電壓不會低于120V，否則選擇高壓MOSFET就沒有任何意義）CE系列CoolMOS輸出電容存儲的能量低于標準MOSFET。由于輸出電容存儲的能量在MOSFET開通后以熱的形式損耗到MOSFET中，因此輸出電容存儲的能量越低，則MOSFET的損耗越低，效率越高。

　　圖2 不同耐壓下RDS（on）與芯片面積積對比

圖3 寄生電容對比

　　圖4 典型門極電荷對比

圖5 輸出電容存儲能量對比

　　從以上參數對比我們可以看出，CE系列CoolMOS相比標準MOSFET在效率，可靠性等方面具有明顯的優勢。接下來我們通過在充電器和LED驅動器上的應用實例來驗證CE系列CoolMOS的優越性能。

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　　充電器案例

　　該案例為一款全球輸入范圍的15W充電器，主要規格如下：

　　表1 15W充電器主要規格

　　圖6所示為該充電器詳細的原理圖。該充電器采用反激同步整流方案，原邊控制芯片為英飛凌公司的準諧振PMW電流模式控制芯片ICE2QS03G［1］，原邊主功率開關管為CE系列CoolMOS 650V 耐壓MOSFET IPS65R1K5CE［2］。副邊同步整流控制驅動芯片為TI公司的UCC24610，同步整流MOSFET為英飛凌的OptiMOSTM （英飛凌中低壓（20V～250V）功率MOSFET品牌）系列中的BSC067N06LS3 G［3］。該充電器具有完整的啟動及保護功能，包括軟啟動，輕載下工作于burst模式，輔助電源過欠壓保護，輸出過載/開環保護，過溫保護及自動恢復，可調整輸出過壓保護，副邊繞組短路保護等。

　　圖6 15W充電器原理圖

　　該充電器產品實物如圖7所示。

　　圖7 15W充電器實物圖

　　對該充電器進行詳細的測試，結果如下：

　　1. 效率測試。根據圖8所示的結果， 115Vac輸入下的平均效率為89.05%，230Vac輸入下的平均效率為88.24%，滿足表1所示的規格要求。根據圖9所示的結果，115Vac輸入下10%負載效率為87.05%， 230Vac輸入下10%負載效率為85.08%，滿足規格要求。

　　圖8平均效率及滿載效率隨輸入變壓變化曲線

　　圖9 不同輸入電壓下效率隨負載變化曲線

　　2. 空載損耗。圖10為待機功耗（空載損耗）隨輸入電壓變換情況，在所有輸入電壓范圍內空載損耗都小于40mW，滿足規格要求。

　　圖10 空載損耗隨輸入電壓變化曲線

　　3. 傳導噪聲測試。圖11和圖12分別為輸入電壓為115Vac和230Vac且滿載輸出下輸入火線和零線的傳導噪聲測試結果，傳導噪聲通過EN55022（CISPR22） Class B標準且準峰值噪聲有超過8dB的裕量。

　　圖11 115Vac輸入滿載輸出時火線和零線傳導噪聲

　　圖12 230Vac輸入滿載輸出時火線和零線傳導噪聲

　　4. 溫度測試結果，圖13為85Vac輸入和265Vac輸入，滿載輸出情況下功率MOSFET IPS65R1K5CE溫升測試結果。在最低和最高輸入電壓下功率MOSFET的殼溫都小于90°C。

　　圖13 不同輸入電壓下溫度測試結果

　　從以上結果可知，采用英飛凌的CE系列CoolMOS及綜合解決方案設計的充電器，可以獲得極佳的性能，同時由于CE系列CoolMOS成本極具競爭力，該方案也具有很高的性價比。

　　照明案例

　　接下來介紹CE系列CoolMOS產品應用于LED球泡燈驅動器的案例。

　　該LED球泡燈驅動器的主要規格如下。

　　表2 LED球泡燈驅動器主要規格

　　該LED球泡燈驅動器采用反激拓撲，主控芯片為英飛凌公司的準諧振PWM控制芯片ICL8002G［4］，該芯片適合反激，Buck等不同拓撲，工作于準諧振方式，原邊控制模式，集成PFC及切相調光控制以及集成多個保護功能，非常適合于可調光LED燈等應用。主控開關采用CE系列800V耐壓的功率MOSFET IPD80R2K8CE［5］。由于采用了先進的控制方案，高效的轉換拓撲和功率器件，該驅動器具有平滑調光曲線及很高的調光能力，超過85%的高效率，非常高的功率因數及很低的THD（諧波因數），采用緊湊的單級拓撲實現PFC及功率轉換，原邊高精度控制以及多個保護功能，極低的BOM成本。該驅動器原理圖如下圖所示。

　　圖14 11W LED 球泡燈驅動器原理圖

　　LED球泡燈驅動器的實物圖形如圖15所示。

　　圖15 11W LED球泡燈驅動器實物圖

　　實測結果如下：

　　1. 恒功率輸出測試。對于LED球泡燈應用，由于LED燈的數量是固定的，因此輸出電壓的變化范圍很小，則恒功率輸出意味著輸出電流也是恒定的。圖16給出了該LED球泡燈驅動器輸出功率及輸出電流隨輸入電壓變化情況。由測試結果可知，輸出功率和輸出電流隨輸入電壓變化很小，實現恒功率和恒電流控制。

　　圖16 輸出功率及輸出電流隨輸入電壓變化曲線

　　2. 輸入波形測試。圖17所示為230Vac輸入，滿功率輸出時的輸入電流和輸入電壓波形，測試得到功率因數約為0.93，滿足規格要求。圖中綠色曲線為輸入電流波形，藍色曲線為輸入電壓波形。

　　圖17 滿載輸出時的輸入電壓和電流波形

　　3. 切相波形。圖18給出安裝有前沿切相調光器時，該驅動器的輸入電流（綠色波形），輸入電壓（藍色波形）及LED電流波形（黃色波形）。對于不同的調光器，該驅動器范圍不同，最大有1%～100%的調光范圍（例如使用LUMEO/LICHTREGLER T10， TCL，HPM/400T等）。

　　圖18 安裝有切相調光器時的驅動器輸入電流，輸入電壓及LED電流波形

　　4. 系統效率測試。圖19所示為LED驅動器的系統效率隨輸入電壓變化的情況。由于采用高性能的控制IC及功率MOSFET，在整個輸入電壓范圍內該驅動器都有很高的效率（>84%）。

　　圖19 LED球泡燈驅動器系統效率隨輸入電壓變化曲線

　　5. 傳導噪聲測試。圖20所示為該LED球泡燈驅動器兩根輸入線（火線與零線）在230V輸入滿載輸出情況下的傳導噪聲測試，測試標準為EN55015 B限值。從波形可知，該驅動器輸入傳導噪聲可通過EN55015 B限值標準，且約有10dB的裕量。

　　圖20 LED球泡燈驅動器兩根輸入線（火線與零線）傳導噪聲測試波形

　　通過以上測試可知，采用英飛凌CE系列CoolMOS及綜合解決方案設計的LED驅動器，在效率，調光性，EMI等方面都有極高的性能，同樣地由于CE系列CoolMOS具有競爭力的成本使得該驅動器綜合成本低，在市場是具有很高的競爭力。

　　總結

　　本文通過在充電器和LED球泡燈驅動器兩個應用實例，驗證了英飛凌CE系列CoolMOS非常適合應用在消費類電子產品和照明產品上。基于英飛凌超級結技術使得CE系列CoolMOS性能卓越，而定位于消費類電子產品和照明產品應用又保證了CE系列CoolMOS成本具有很強的競爭力。綜上所述，英飛凌科技有限公司的CE系列CoolMOS是高性能消費類電子產品和照明產品半導體最佳解決方案。

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