通訊系統(tǒng)中率降壓型變換器的設(shè)計考慮

目前，通訊系統(tǒng)要求越來越快的處理速度,，其內(nèi)部集成芯片,、處理器單元等電路消耗的電流也越來越大,。同時，為減小系統(tǒng)的體積和尺寸,，內(nèi)部的低壓大電流的DC/DC 變換器不斷向頻,、方向發(fā)展。頻率的提帶來了系統(tǒng)變換效率的降低,。此外,，范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染提出了減排的要求，因此,，基于頻的變換器必須采用的器件,，以系統(tǒng)既能工作在頻下，實現(xiàn)小尺寸小體積,，又能提系統(tǒng)的整體效率,，達(dá)到減排的目的。整體效率的提,，進步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量,，提了系統(tǒng)的。通訊系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)板使用了大量的降壓型變換器,，本文將詳細(xì)的討論這種變換器的設(shè)計,。

降壓型變換器工作特點

在通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)板上,，前通常是從-48V電源通過電源或電源模塊得到12V或24V輸出,，也有采用3.3或5V輸出。目前基于ATCA的通訊系統(tǒng)大多采用12V的中間母線架構(gòu),，然后再由降壓型變換器將12V向下轉(zhuǎn)換為3.3,、5V、2.5V,、1.8V,、1.25V等多種不同的電壓。常規(guī)的降壓型變換器續(xù)流管采用肖特基二管,，而同步降壓型變換器下面的續(xù)流管卻使用功率MOSFET,。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds（on）小，導(dǎo)通電壓也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于肖特基二管的正向壓降,，所以效率,。因此，對于低壓大電流的輸出,，通常利用同步的降壓型變換器獲得較的效率,。

對于降壓型變換器，有以下的公式：

Vo=Don×Vin

其中,， 為占空比,。當(dāng)輸入電壓較時,，占空比就小。因此,，當(dāng)輸入電壓,，而輸入電壓較低，即輸入輸出的電壓差較大時,，在個開關(guān)周期,，上部主功率開關(guān)管導(dǎo)通的時間將減小，而下部續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通的時間將延長,。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形,，陰影為產(chǎn)生開關(guān)損耗的部分。

（a） 上管的開關(guān)波形

（b） 下管的開關(guān)波形

上部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗,，同時MOSFET導(dǎo)通電阻Rds（on）也將產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗,。平均導(dǎo)通損耗與占空比和導(dǎo)通電阻Rds（on）成正比。對于基于ATCA的通訊系統(tǒng),，其輸入電壓為12V,，輸入輸出的電壓差大，占空比小,，因此導(dǎo)通損耗相對較小,，而開關(guān)損耗占較大比例。開關(guān)損耗主要與開關(guān)頻率及MOSFET在開關(guān)過程中持續(xù)的時間成正比,。開關(guān)持續(xù)的時間與MOSFET漏柵米勒電容的直接相關(guān),。米勒電容小，開關(guān)持續(xù)時間短,，則開關(guān)損耗低,。因此，對于上部MOSFET管的功率損耗,，必須同時考慮開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,。為降低導(dǎo)通電阻Rds（on），MOSFET通常要采用大面積的晶圓,，這樣就可以得到多的小單元,，多個小單元并聯(lián)后的總導(dǎo)通電阻Rds（on）就低。但與此同時,，這也會增加漏和柵的相對面積,，從而增大漏和柵米勒電容。

從波形可以看到,，對于下部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中,，沒有產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是個自然的0電壓的關(guān)斷，因為在MOSFET的漏和源有個寄生的電容,。由于電容的電壓不能突變,，所以在關(guān)斷的過程瞬態(tài)過程中，漏和源電壓幾乎為0,。這樣在關(guān)斷的過程中,，電壓與電流的乘積也就是關(guān)斷的功耗為0。對于MOSFET,，要想實現(xiàn)0電壓的開關(guān)ZVS,，關(guān)鍵要實現(xiàn)其0電壓開通。

為防止上下管直通,，同步降壓型變換器的上下管通常有個死區(qū)時間,。在死區(qū)的時間內(nèi)，上下管均關(guān)斷,。當(dāng)上管關(guān)斷后,，由于輸出電感的電流不能突變，必須維持原來的方向流動,，所以下部功率MOSFET內(nèi)部寄生二管導(dǎo)通,。寄生二管導(dǎo)通后，下部MOSFET的漏和源的電壓為二管的正向壓降,，幾乎為0,，因此在寄生二管導(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通,，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通,，開通損耗為幾乎0。這樣下管是個0電壓 的開關(guān),，開關(guān)損耗幾乎0,。因此在下管中,，主要是由導(dǎo)通電阻Rds（on）形成導(dǎo)通損耗,。下管的選取主要考慮盡量選用低導(dǎo)通電阻Rds（on）的產(chǎn)品。

此外,，為減小在死區(qū)時間內(nèi)體內(nèi)寄生二管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來的功耗,，通常會并聯(lián)個正向壓降低、反向恢復(fù)時間短的肖特基二管,。過去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)個肖特基二管,，現(xiàn)在通常將肖特基二管集成在下部MOSFET管內(nèi)部。起初是將個單的肖特基二管和個MOSFET封裝在起,，后來是將它們做在個晶圓上,。將個晶圓分成二個區(qū)，個區(qū)做MOSFET，個區(qū)做肖特基二管,。

二管具有負(fù)溫度系數(shù),，并聯(lián)工作不太。在個晶圓上分成二個區(qū)做MOSFET和肖特基二管,，那么肖特基二管在與MOSFET交界的區(qū)域溫度,，而離MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度低。當(dāng)肖特基二管溫度時,，流過大的電流,，因此與MOSFET交界的肖特基二管區(qū)域的溫度將進步上升，可能導(dǎo)致局部損壞?，F(xiàn)在通常將肖特基二管的單元做到MOSFET的單元里面,，這樣可能得到好的熱平衡，提器件,。