通訊系統中(zhong)率(lv)降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)的(de)設(she)計(ji)考慮

目(mu)前(qian)，通訊系統要求越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai)的(de)處(chu)理(li)速度(du)，其內(nei)部(bu)集(ji)成(cheng)芯片、處(chu)理(li)器(qi)單(dan)元(yuan)等(deng)電路(lu)消耗的(de)電流(liu)也越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。同時，為(wei)減(jian)小系統的體積和尺(chi)寸(cun)，內(nei)部(bu)的(de)低壓大(da)電流(liu)的DC/DC 變(bian)換器(qi)不(bu)斷(duan)向(xiang)頻(pin)、方向(xiang)發展。頻(pin)率的提(ti)帶來(lai)了(le)系統(tong)變換效(xiao)率(lv)的(de)降(jiang)低。此(ci)外(wai)，範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)能(neng)源(yuan)危機(ji)和(he)環境(jing)汙染提(ti)出(chu)了減(jian)排的(de)要求，因(yin)此(ci)，基(ji)於頻的(de)變換器(qi)必須(xu)采(cai)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)，以(yi)系統既(ji)能(neng)工(gong)作在(zai)頻下(xia)，實現小尺(chi)寸(cun)小體積，又能(neng)提(ti)系(xi)統的(de)整體效(xiao)率(lv)，達(da)到減(jian)排的(de)目(mu)的(de)。整體效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)，進步降(jiang)低了電源(yuan)系(xi)統的(de)發熱(re)量，提(ti)了(le)系統(tong)的。通訊系統內(nei)部(bu)的(de)系(xi)統(tong)板使用了(le)大量的降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)，本文將詳細的(de)討論這種變(bian)換器(qi)的(de)設(she)計(ji)。

降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)工(gong)作特(te)點(dian)

在(zai)通訊系統的(de)系(xi)統板(ban)上(shang)，前(qian)通常是(shi)從-48V電源(yuan)通過電源(yuan)或電源(yuan)模(mo)塊得到12V或24V輸出，也有(you)采(cai)用(yong)3.3或5V輸出。目(mu)前(qian)基(ji)於ATCA的通訊系統大(da)多采(cai)用(yong)12V的(de)中間(jian)母(mu)線架構(gou)，然(ran)後(hou)再由(you)降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)將(jiang)12V向(xiang)下(xia)轉(zhuan)換為(wei)3.3、5V、2.5V、1.8V、1.25V等(deng)多種不(bu)同的電壓(ya)。常規的降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)續(xu)流(liu)管采(cai)用(yong)肖特(te)基(ji)二管(guan)，而同步降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)下(xia)面的續(xu)流(liu)管卻(que)使用功率MOSFET。由(you)於功率MOSFET的(de)導通電阻(zu)Rds（on）小，導通電壓(ya)也(ye)遠遠低於肖特(te)基(ji)二管(guan)的正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)，所以(yi)效(xiao)率(lv)。因(yin)此(ci)，對(dui)於低壓大(da)電流(liu)的輸(shu)出，通常利(li)用(yong)同步的(de)降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)獲(huo)得較的效(xiao)率(lv)。

對(dui)於降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)，有(you)以(yi)下(xia)的(de)公(gong)式：

Vo=Don×Vin

其中， 為(wei)占空(kong)比(bi)。當輸入電壓(ya)較時，占空(kong)比(bi)就(jiu)小。因(yin)此(ci)，當輸入電壓(ya)，而輸入電壓(ya)較低，即輸(shu)入輸出(chu)的電壓(ya)差較大時(shi)，在(zai)個(ge)開關周期(qi)，上(shang)部(bu)主(zhu)功率開關管導通的時(shi)間(jian)將減(jian)小，而下(xia)部(bu)續(xu)流(liu)開關管導通的時(shi)間(jian)將延長。圖1為(wei)上(shang)部(bu)MOSFET管(guan)和(he)下(xia)部(bu)MOSFET管(guan)的(de)工(gong)作波形(xing)，陰影(ying)為(wei)產生(sheng)開關損耗的(de)部(bu)分。

（a） 上(shang)管的(de)開關波形(xing)

（b） 下(xia)管(guan)的(de)開關波形(xing)

上(shang)部(bu)MOSFET管(guan)在(zai)開關的瞬(shun)態(tai)過程(cheng)中產生(sheng)明顯(xian)的(de)開關損耗，同時MOSFET導通電阻(zu)Rds（on）也(ye)將產生(sheng)的導通損耗(hao)。平(ping)均(jun)導通損耗(hao)與(yu)占空(kong)比(bi)和(he)導通電阻(zu)Rds（on）成(cheng)正比。對(dui)於基(ji)於ATCA的通訊系統，其輸入電壓(ya)為(wei)12V，輸(shu)入輸出(chu)的電壓(ya)差大，占空(kong)比(bi)小，因(yin)此(ci)導通損耗(hao)相(xiang)對較小，而開關損耗占較大比(bi)例(li)。開關損耗主(zhu)要與(yu)開關頻率及(ji)MOSFET在(zai)開關過程中(zhong)持續(xu)的時(shi)間成(cheng)正比。開關持續(xu)的時(shi)間與(yu)MOSFET漏柵米(mi)勒(le)電容(rong)的(de)直接相(xiang)關。米勒(le)電容(rong)小，開關持續(xu)時間(jian)短(duan)，則(ze)開關損耗低。因(yin)此(ci)，對(dui)於上(shang)部(bu)MOSFET管(guan)的(de)功率損(sun)耗(hao)，必須(xu)同時考(kao)慮開關損耗和(he)導通損耗(hao)。為(wei)降(jiang)低導通電阻(zu)Rds（on），MOSFET通常要采(cai)用(yong)大(da)面積的(de)晶(jing)圓，這樣就(jiu)可(ke)以(yi)得到多的(de)小單元，多個(ge)小單元並(bing)聯後(hou)的總(zong)導通電阻(zu)Rds（on）就(jiu)低。但與(yu)此(ci)同時，這(zhe)也會(hui)增(zeng)加漏(lou)和(he)柵的(de)相(xiang)對面積，從(cong)而增(zeng)大(da)漏(lou)和柵米(mi)勒(le)電容(rong)。

從(cong)波形(xing)可(ke)以(yi)看到，對於下(xia)部(bu)MOSFET管(guan)在(zai)開關的瞬(shun)態(tai)過程(cheng)中，沒(mei)有(you)產生(sheng)明顯(xian)的(de)開關損耗。通常MOSFET的(de)關斷是個(ge)自(zi)然(ran)的0電壓(ya)的(de)關斷，因(yin)為(wei)在(zai)MOSFET的漏(lou)和(he)源(yuan)有(you)個(ge)寄(ji)生(sheng)的電容(rong)。由(you)於電容(rong)的(de)電壓(ya)不(bu)能(neng)突變(bian)，所以(yi)在(zai)關斷的過(guo)程(cheng)瞬(shun)態(tai)過程(cheng)中，漏(lou)和源(yuan)電壓(ya)幾乎為(wei)0。這(zhe)樣(yang)在(zai)關斷的過(guo)程(cheng)中(zhong)，電壓(ya)與(yu)電流(liu)的乘(cheng)積也(ye)就是(shi)關斷的功耗為(wei)0。對(dui)於MOSFET，要想實現0電壓(ya)的(de)開關ZVS，關鍵要實現其0電壓(ya)開通。

為(wei)防(fang)止(zhi)上(shang)下(xia)管(guan)直(zhi)通，同步降(jiang)壓型(xing)變(bian)換器(qi)的(de)上(shang)下(xia)管(guan)通常有(you)個(ge)死區時(shi)間(jian)。在(zai)死區的(de)時(shi)間(jian)內(nei)，上(shang)下(xia)管(guan)均(jun)關斷。當上(shang)管關斷後(hou)，由(you)於輸出(chu)電感(gan)的(de)電流(liu)不能(neng)突變(bian)，必須(xu)維持原(yuan)來的方(fang)向(xiang)流(liu)動，所以(yi)下(xia)部(bu)功率MOSFET內(nei)部(bu)寄(ji)生(sheng)二管(guan)導通。寄生(sheng)二管(guan)導通後(hou)，下(xia)部(bu)MOSFET的(de)漏(lou)和(he)源(yuan)的(de)電壓(ya)為(wei)二(er)管(guan)的(de)正向(xiang)壓(ya)降(jiang)，幾乎為(wei)0，因(yin)此(ci)在(zai)寄生(sheng)二管(guan)導通後(hou)，MOSFET再導通，其導通是0電壓(ya)的(de)導通，開通損耗(hao)為(wei)幾乎0。這樣(yang)下(xia)管(guan)是(shi)個(ge)0電壓(ya) 的(de)開關，開關損耗幾乎0。因(yin)此(ci)在(zai)下(xia)管(guan)中(zhong)，主要是由(you)導通電阻(zu)Rds（on）形(xing)成(cheng)導通損耗(hao)。下(xia)管(guan)的(de)選(xuan)取(qu)主(zhu)要考慮盡量選(xuan)用低導通電阻(zu)Rds（on）的(de)產品(pin)。

此(ci)外(wai)，為(wei)減(jian)小在(zai)死區時(shi)間(jian)內(nei)體內(nei)寄(ji)生(sheng)二管(guan)產生(sheng)的正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)功耗和(he)反(fan)向(xiang)恢復帶來(lai)的(de)功耗，通常會(hui)並(bing)聯個(ge)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)低、反(fan)向(xiang)恢復時間短(duan)的肖特(te)基(ji)二管(guan)。過去(qu)主要是在(zai)下(xia)管(guan)MOSFET的(de)外部(bu)並(bing)聯個(ge)肖特(te)基(ji)二管(guan)，現在(zai)通常將(jiang)肖特(te)基(ji)二管(guan)集成(cheng)在(zai)下(xia)部(bu)MOSFET管(guan)內(nei)部(bu)。起(qi)初是將個(ge)單(dan)的肖特(te)基(ji)二管(guan)和個(ge)MOSFET封裝在(zai)起，後(hou)來是(shi)將它(ta)們做(zuo)在(zai)個(ge)晶(jing)圓上(shang)。將個(ge)晶(jing)圓分成(cheng)二個(ge)區，個(ge)區做(zuo)MOSFET，個(ge)區做(zuo)肖特(te)基(ji)二管(guan)。

二管(guan)具有(you)負溫度系(xi)數(shu)，並(bing)聯工作不(bu)太。在(zai)個(ge)晶(jing)圓上(shang)分成(cheng)二個(ge)區做(zuo)MOSFET和(he)肖特(te)基(ji)二管(guan)，那麽肖特(te)基(ji)二管(guan)在(zai)與(yu)MOSFET交界(jie)的區域(yu)溫度，而離MOSFET較遠的區域(yu)溫度低。當肖特(te)基(ji)二管(guan)溫度時(shi)，流(liu)過大(da)的電流(liu)，因(yin)此(ci)與(yu)MOSFET交界(jie)的肖特(te)基(ji)二管(guan)區域(yu)的(de)溫度將(jiang)進步上(shang)升(sheng)，可(ke)能(neng)導致局(ju)部(bu)損(sun)壞(huai)。現在(zai)通常將(jiang)肖特(te)基(ji)二管(guan)的單(dan)元做(zuo)到MOSFET的單(dan)元裏(li)面，這樣(yang)可(ke)能(neng)得到好的(de)熱(re)平衡(heng)，提(ti)器(qi)件(jian)。