แรงดันตกคร่อมแนวตรงต่ำ: เพิ่มประสิทธิภาพในแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำ

หลักฟิสิกส์ของการนำกระแสผ่านชั้นกั้นช็อตต์กี้และการลดค่า V _F

ไดโอดช็อตต์กี้ทำงานแตกต่างออกไป เนื่องจากมันสร้างรอยต่อระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำ (metal-semiconductor junction) แทนที่จะเป็นรอยต่อ p-n แบบทั่วไปที่พบในไดโอดทั่วไป สิ่งนี้หมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีการฉีดพาหะส่วนน้อย (minority carrier injection) ซึ่งช่วยกำจัดการสูญเสียพลังงานจากการรวมตัวของพาหะในบริเวณ depletion layer ที่พบเห็นได้บ่อยในระบบแบบดั้งเดิม ผลลัพธ์คือ การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านพาหะส่วนใหญ่ (majority-carrier conduction) ที่มีศักย์สูงสุดของแถบพลังงาน (barrier potential) ต่ำกว่ามาก โดยอยู่ที่ประมาณ 0.15 ถึง 0.45 โวลต์ เมื่อเทียบกับไดโอดซิลิคอนทั่วไปที่ต้องการแรงดันระหว่าง 0.7 ถึง 1.1 โวลต์ อิเล็กตรอนไหลตรงจากวัสดุสารกึ่งตัวนำชนิด n-type เข้าสู่ขั้วโลหะโดยตรง จึงเกิดการสูญเสียพลังงานน้อยมากในกระบวนการนี้ โดยเฉพาะเมื่อพิจารณาแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์ โดยเฉพาะแล้ว ไดโอดช็อตต์กี้เหล่านี้สามารถลดแรงดันตกคร่อมในแนวตรง (forward voltage drop) ได้ระหว่าง 60 เปอร์เซ็นต์ ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกแบบดั้งเดิม ซึ่งทำให้เกิดความแตกต่างอย่างแท้จริง เนื่องจากการสูญเสียขณะนำกระแส (conduction losses) มักจะเป็นปัญหาที่รุนแรงที่สุดเมื่อใช้งานกับแรงดันต่ำและสถานการณ์ที่มีกระแสสูง

อัตราการเพิ่มประสิทธิภาพที่วัดได้: 2–5% สำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแบบ DC-DC ที่แรงดัน 3.3V/5V

การประเมินประสิทธิภาพอย่างเป็นอิสระของตัวแปลงแบบ synchronous buck ยืนยันว่ามีการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบอย่างสม่ำเสมอ เมื่อนำไดโอดช็อตต์กี้ (Schottky diodes) มาแทนที่ไดโอดเรกติไฟเออร์แบบซิลิคอน ผลการศึกษาหลายฉบับในปี 2023 ที่ดำเนินการกับการออกแบบระดับอุตสาหกรรมและระดับเซิร์ฟเวอร์ แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มประสิทธิภาพ 2–5% โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่แรงดันขาออก 3.3V และ 5V ซึ่งการสูญเสียจากกระแสไหลผ่าน (conduction losses) มีค่าแปรผกผันกับแรงดันไฟฟ้า สำหรับกระแสขาออก 20A ผลลัพธ์โดยทั่วไปคือ:

การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยลดภาระด้านการจัดการความร้อนโดยตรงในแอปพลิเคชันที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ เช่น โมดูลแหล่งจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์ หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ (ECUs) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ซึ่งการประหยัดพลังงาน 1 วัตต์จะยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้เพิ่มขึ้น 15–20% ตามผลการศึกษาเชิงภาคสนามล่าสุด

การสลับสถานะอย่างรวดเร็วสุดขีด: รองรับการออกแบบ SMPS ที่ทำงานที่ความถี่สูงและมีขนาดกะทัดรัด

ไม่มีการเก็บประจุชนิดไมเนอริตีแคเรียร์ (minority-carrier storage) และเวลาในการกลับสู่สถานะปกติ (reverse recovery time) ต่ำกว่าหนึ่งนาโนวินาที

ไดโอดช็อตต์กี้ทำงานต่างจากไดโอดทั่วไป เนื่องจากใช้เฉพาะพาหะส่วนใหญ่ (majority carriers) ในการนำกระแสเท่านั้น สิ่งนี้หมายความโดยตรงว่า ไม่มีเวลาหน่วงการเก็บประจุที่เกี่ยวข้องกับพาหะส่วนน้อย (minority carriers) และนี่เองคือปัจจัยสำคัญที่ทำให้ไดโอดช็อตต์กี้สามารถหลีกเลี่ยงปัญหากระแสฟื้นตัวแบบกลับด้าน (reverse recovery current spikes) ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่สำหรับไดโอดแบบรอยต่อ PN ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เวลาฟื้นตัวแบบกลับด้าน (reverse recovery time) ของไดโอดช็อตต์กี้ลดลงต่ำกว่า 1 นาโนวินาทีอย่างมาก จึงสามารถตัดกระแสได้อย่างสะอาดและแม่นยำ แม้จะทำงานที่ความถี่หลายเมกะเฮิร์ตซ์ก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในวงจรควบคุมแรงดันแบบบัค (buck regulators) ที่ทำงานที่ย่านความถี่ประมาณ 500 กิโลเฮิร์ตซ์ จะพบว่าสูญเสียพลังงานขณะสลับสถานะ (switching losses) ลดลงราว 2 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดซิลิคอนแบบเร็วพิเศษ (ultrafast silicon alternatives) ที่มีราคาแพงกว่า การศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่ผ่านมาโดยนิตยสาร Power Electronics International ยืนยันข้อสรุปนี้ไว้ ความก้าวหน้าทั้งหมดนี้ส่งผลให้เกิดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic interference) ลดลง ชิ้นส่วนทำงานเย็นลง และเพิ่มความสามารถในการจัดวางระบบจ่ายพลังงานให้มีความหนาแน่นสูงขึ้น (better power packing capabilities) ข้อได้เปรียบเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่การจัดการความร้อนเป็นเรื่องยาก หรือเมื่อข้อจำกัดด้านพื้นที่ต้องการโซลูชันระบบจ่ายพลังงานที่มีขนาดกะทัดรัด

รองรับการใช้งานที่ความถี่สูงกว่า 1 MHz ด้วยสเตจพลังงานแบบ GaN และ SiC

ทรานซิสเตอร์ที่ผลิตจากกาเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ในปัจจุบันสามารถรองรับความถี่ได้สูงกว่า 1 MHz อย่างมาก แต่สิ่งที่มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้อย่างแท้จริงคือความเร็วในการทำงานของไดโอดปรับทิศทาง (rectifiers) ไดโอดช็อตต์กี้ (Schottky diodes) ที่เราใช้งานในที่นี้ โดยเฉพาะแบบที่ผลิตจากซิลิคอนคาร์ไบด์ มีเวลาการฟื้นตัว (recovery time) ที่วัดได้เป็นเศษส่วนของนาโนวินาที ซึ่งสอดคล้องกับจุดการสลับสถานะ (switching points) ของอุปกรณ์ GaN และ SiC ได้อย่างใกล้เคียงสมบูรณ์แบบ เมื่อเกิดปรากฏการณ์นี้ขึ้น จะช่วยยับยั้งการเกิดสัญญาณแรงดันกระชาก (voltage spikes) ที่รบกวนการทำงานซึ่งมักเกิดขึ้นขณะที่วงจรเปลี่ยนสถานะ เราสังเกตเห็นว่าระดับการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic interference) ลดลงประมาณ 15 dB ในวงจรออกแบบที่ทำงานที่ความถี่หลายเมกะเฮิร์ตซ์ นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่ง คือ การสลับสถานะที่รวดเร็วขึ้นทำให้สามารถใช้หม้อแปลง (transformers) และคอยล์เหนี่ยวนำ (inductors) ที่มีขนาดเล็กลงได้ องค์ประกอบเหล่านี้สามารถลดขนาดลงได้มากกว่า 60% เมื่อเทียบกับระบบที่ทำงานที่ความถี่ 100 kHz แบบดั้งเดิม นี่จึงเป็นเหตุผลที่วิศวกรจำนวนมากพึ่งพาไดโอดช็อตต์กี้อย่างมากสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบคอมแพกต์ที่สามารถจ่ายกำลังได้มากกว่า 1 kW ภายในขนาดที่เล็กพอจะติดตั้งในแร็กเซิร์ฟเวอร์ (server rack) หรือสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (electric vehicle charging station) ได้ ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานในระดับที่ดีและสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้

แอปพลิเคชันที่สำคัญยิ่ง: การปรับแนวไฟฟ้า (Rectification) และการปล่อยอิสระ (Freewheeling) ในแหล่งจ่ายไฟสมัยใหม่ (PSUs)

การปรับแนวไฟฟ้าแบบซิงโครนัส (Synchronous rectification), การเชื่อมต่อแบบ OR-ing และบทบาทของวงจรคลัมป์ (clamp circuit)

ไดโอดช็อตต์กี้ (Schottky diodes) ทำหน้าที่สามประการที่ขาดไม่ได้ในหน่วยจ่ายไฟ (PSUs) สมัยใหม่:

• การเรียงลำดับแบบซิงโครนัส : บนด้านรอง (secondary side) ของตัวแปลงไฟฟ้าแบบ DC-DC แรงดันตกข้างหน้าต่ำเพียง 0.3–0.5 V ของไดโอดช็อตต์กี้ช่วยกู้คืนพลังงานที่มิฉะนั้นจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน—เพิ่มประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 4% ในการจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์แบบ 48 V
• OR-ing : การสลับสถานะอย่างรวดเร็วของไดโอดช็อตต์กี้ช่วยแยกสายจ่ายไฟหลักและสายจ่ายไฟสำรองออกจากกันในระหว่างเหตุการณ์ล้มเหลว (failover) จึงป้องกันกระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายในระบบที่มีความซ้ำซ้อน (redundant systems)
• วงจรคลัมป์ (Clamp circuits) : ในโครงสร้างวงจรแบบฟลายแบ็ก (flyback) และแบบเรโซแนนต์ (resonant topologies) ไดโอดช็อตต์กี้จะเบี่ยงเบนสัญญาณรบกวนจากการสลับสถานะภายในเวลาไม่กี่นาโนวินาที โดยดูดซับพลังงานพีคที่เกิน 200 mJ ได้อย่างปลอดภัย

โดยรวมแล้ว บทบาททั้งสามประการนี้ช่วยให้แหล่งจ่ายไฟ (PSUs) ที่มีขนาดกะทัดรัดและมีความน่าเชื่อถือสูงสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 94% พร้อมทั้งปกป้องระบบจากเหตุการณ์แรงดันเกินที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรง

ข้อพิจารณาในการออกแบบ: การหาจุดสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและข้อจำกัดของไดโอดช็อตต์กี้

การแลกเปลี่ยนระหว่างกระแสไหลย้อนกลับกับแรงดันไฟฟ้าแบบตรงข้ามที่อุณหภูมิสูง

สิ่งที่ทำให้ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถบรรลุค่าแรงดันตกในทิศทางตรง (forward voltage drop) ที่ต่ำมาก (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.15V ถึง 0.45V) ก็คือข้อแลกเปลี่ยนที่เกิดขึ้นในแง่ของกระแสไหลย้อนกลับ (reverse leakage current: IR) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิในการทำงานสูงขึ้น สาเหตุหลักประการหนึ่งคือปรากฏการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนแบบเทอร์โมอิเล็กทรอนิกส์ (thermionic emission) ที่เกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำ เมื่ออุณหภูมิของข้อต่อเพิ่มสูงขึ้น เช่น ถึงประมาณ 125 องศาเซลเซียส เราจะเริ่มสังเกตเห็นว่ากระแสไหลย้อนกลับเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับสภาวะอุณหภูมิห้อง ณ จุดนั้น กระแสไหลย้อนกลับอาจสูงกว่าค่าที่วัดได้ที่อุณหภูมิแวดล้อมปกติมากกว่าหนึ่งพันเท่า อย่างไรก็ตาม แรงดันตกในทิศทางตรงยังคงค่อนข้างคงที่ ดังนั้น วิศวกรจึงจำเป็นต้องระมัดระวังอย่างยิ่งต่อปัญหากระแสไหลย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นนี้ ซึ่งอาจกลายเป็นแหล่งหลักของการสูญเสียพลังงานในแบบจำลองการออกแบบของพวกเขา หากไม่มีการควบคุมหรือจัดการอย่างเหมาะสม ปัญหานี้อาจนำไปสู่ปัญหาความร้อนรุนแรงในระยะยาวได้ ผู้ที่ทำงานกับระบบสำหรับยานยนต์ อุปกรณ์อัตโนมัติในโรงงาน หรือศูนย์ข้อมูล จึงจำเป็นต้องคำนึงถึงการเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณของกระแสไหลย้อนกลับนี้อย่างรอบคอบ ทั้งในระหว่างการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (computer simulations) และการทดสอบต้นแบบภายใต้สภาวะจริง

ข้อจำกัดด้านค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการลดอันดับ (derating)

ไดโอดช็อตต์กี้มีข้อจำกัดพื้นฐานอยู่ที่แรงดันย้อนกลับสูงสุด (V _{อาร์อาร์เอ็ม} ) — อุปกรณ์เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่มีค่าสูงสุดต่ำกว่า 200 V เนื่องจากข้อจำกัดของความสูงของแถบพลังงาน (barrier height) การใช้งานเกินค่า V _{อาร์อาร์เอ็ม} อาจทำให้เกิดภาวะแวดล้อมแบบแอฟเวลาชน (avalanche breakdown) และความล้มเหลวอย่างถาวร ดังนั้นการลดอันดับอย่างมีกลยุทธ์จึงเป็นสิ่งจำเป็น:

• การใช้งานอุตสาหกรรมทั่วไป : เลือกไดโอดที่มีค่าแรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้สูงกว่าแรงดันสูงสุดของระบบอย่างน้อย 20%
• การใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง (ทางการแพทย์ ทหาร และอวกาศ): ใช้ขอบเขตการลดอันดับ 40–50%
• ระบบที่มีสัญญาณรบกวนแบบไดนามิก (dynamic transients) : จับคู่ใช้งานร่วมกับตัวกันแรงดันชั่วคราว (TVS) สำหรับสัญญาณรบกวนที่มีระยะเวลาเกิน 100 นาโนวินาที

การลดอัตราการทำงานจากความร้อนมีความสำคัญไม่แพ้กัน—V _{อาร์อาร์เอ็ม} ค่าความทนทานต่อแรงดันจะลดลงเมื่ออุณหภูมิที่ข้อต่อเข้าใกล้ 150°C การสร้างแบบจำลองสัมประสิทธิ์อุณหภูมิอย่างแม่นยำในระหว่างการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และการออกแบบระบบระบายความร้อน จะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการล้มเหลวอย่างไม่คาดคิดในขั้นตอนการจ่ายพลังงานที่มีความหนาแน่นสูง