在負(fù)載點(diǎn)(POL)降壓轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，同步變化的高邊和低邊有源開(kāi)關(guān)已被廣泛使用。圖1顯示了具有理想開(kāi)關(guān)的此類(lèi)電路。與使用無(wú)源肖特基二極管作為低邊開(kāi)關(guān)的架構(gòu)相比，此類(lèi)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。主要優(yōu)勢(shì)是電壓轉(zhuǎn)換效率更高，因?yàn)榕c采用無(wú)源二極管的情況相比，低端開(kāi)關(guān)承載電流時(shí)的壓降更低。
但是，與異步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，同步降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生更大的干擾。如果圖1中的兩個(gè)理想開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，即使時(shí)間很短，也會(huì)發(fā)生從輸入電壓到地的短路。這會(huì)損壞開(kāi)關(guān)。必須確保兩個(gè)開(kāi)關(guān)永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。因此，出于安全考慮，需要在一定時(shí)間內(nèi)保持兩個(gè)開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)。這個(gè)時(shí)間稱為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的死區(qū)時(shí)間。但是，從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到輸出電壓連接了一個(gè)載流電感(L1)。通過(guò)電感的電流永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生瞬間變化。電流會(huì)連續(xù)增加和減少，但它永遠(yuǎn)不會(huì)跳變。因此，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。所有電流路徑在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)側(cè)中斷。采用圖1所示的理想開(kāi)關(guān)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生負(fù)無(wú)窮大的電壓。在實(shí)際開(kāi)關(guān)中，電壓負(fù)值將變得越來(lái)越大，直到兩個(gè)開(kāi)關(guān)中的一個(gè)被擊穿并允許電流通過(guò)。
圖1.用于降壓轉(zhuǎn)換、采用理想開(kāi)關(guān)的同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用N溝道MOSFET作為有源開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)針對(duì)上述情況具有非常有優(yōu)勢(shì)的特性。除了具有本身的開(kāi)關(guān)功能外，MOSFET還具有所謂的體二極管。半導(dǎo)體的源極和漏極之間存在一個(gè)P-N結(jié)。在圖2中，插入了具有相應(yīng)P-N結(jié)的MOSFET。由此，即使在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓也不會(huì)下降到負(fù)無(wú)窮大，而是通過(guò)低端MOSFET中的P-N結(jié)（如紅色所示）承載電流，直到死區(qū)時(shí)間結(jié)束并且低端MOSFET導(dǎo)通為止。
圖2.用于降壓轉(zhuǎn)換的同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，采用N溝道MOSFET和額外的肖特基二極管，可最大限度地減少干擾。
相應(yīng)MOSFET中的體二極管有一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于反向恢復(fù)現(xiàn)象，其開(kāi)關(guān)速度非常低。在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，電感(L1)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓下降到比地電壓低幾伏。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的這些陡峭的負(fù)電壓峰值會(huì)導(dǎo)致干擾，此干擾會(huì)被容性耦合到其他電路段。通過(guò)插入額外的肖特基二極管可以最大限度地減少這種干擾，如圖2所示。與低端MOSFET中的體二極管不同，它不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)時(shí)間，并且在死區(qū)時(shí)間開(kāi)始時(shí)能非常快速地吸收電流。這可減緩開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓陡降。可減少由于耦合效應(yīng)而產(chǎn)生并分布到電路上的干擾。
肖特基二極管可以設(shè)計(jì)得非常緊湊，因?yàn)樗鼉H在死區(qū)時(shí)間內(nèi)短時(shí)間承載電流。因此，其溫升不會(huì)過(guò)高，可以放置在小尺寸、低成本的產(chǎn)品外殼中。
作者簡(jiǎn)介
Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任多種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源。Frederik于2009年加入ADI公司，擔(dān)任歐洲分公司的電源管理技術(shù)專家。