目前，通訊系統(tǒng)要求越來(lái)越快的處理速度，其內(nèi)部專(zhuān)用集成芯片、處理器單元等電路消耗的電流也越來(lái)越大。同時(shí)，為減小系統(tǒng)的體積和尺寸，內(nèi)部的低壓大電流的DC/DC 變換器不斷向高頻、高密度方向發(fā)展。頻率的提高帶來(lái)了系統(tǒng)變換效率的降低。此外，世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染提出了節(jié)能減排的要求，因此，基于高頻的變換器必須采用新型的器件，以保證系統(tǒng)既能工作在高頻下，實(shí)現(xiàn)小尺寸小體積，又能提高系統(tǒng)的整體效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。整體效率的提高，進(jìn)一步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量，提高了系統(tǒng)的可靠性。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(jì)。
降壓型變換器工作特點(diǎn)
在通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)板上，前級(jí)通常是從-48V電源通過(guò)隔離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)流管采用肖特基二級(jí)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)低于肖特基二級(jí)管的正向壓降，所以效率更高。因此，對(duì)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高的效率。
對(duì)于降壓型變換器，有以下的公式：
Vo=Don×Vin
其中， 為占空比。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，占空比就小。因此，當(dāng)輸入電壓高，而輸入電壓較低，即輸入輸出的電壓差較大時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，上部主功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將減小，而下部續(xù)流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將延長(zhǎng)。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形，陰影為產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的部分。
(a) 上管的開(kāi)關(guān)波形
(b) 下管的開(kāi)關(guān)波形
上部MOSFET管在開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生明顯的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)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(duì)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(duì)較小，而開(kāi)關(guān)損耗占較大比例。開(kāi)關(guān)損耗主要與開(kāi)關(guān)頻率及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中持續(xù)的時(shí)間成正比。開(kāi)關(guān)持續(xù)的時(shí)間與MOSFET漏柵極的米勒電容直接相關(guān)。米勒電容小，開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間短，則開(kāi)關(guān)損耗低。因此，對(duì)于上部MOSFET管的功率損耗，必須同時(shí)考慮開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。為降低導(dǎo)通電阻Rds(on)，MOSFET通常要采用更大面積的晶圓，這樣就可以得到更多的小單元，多個(gè)小單元并聯(lián)后的總導(dǎo)通電阻Rds(on)就更低。但與此同時(shí)，這也會(huì)增加漏極和柵極的相對(duì)面積，從而增大漏極和柵極米勒電容。
從波形可以看到，對(duì)于下部MOSFET管在開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程中，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的開(kāi)關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是一個(gè)自然的0電壓的關(guān)斷，因?yàn)樵贛OSFET的漏極和源極有一個(gè)寄生的電容。由于電容的電壓不能突變，所以在關(guān)斷的過(guò)程瞬態(tài)過(guò)程中，漏極和源極電壓幾乎為0。這樣在關(guān)斷的過(guò)程中，電壓與電流的乘積也就是關(guān)斷的功耗為0。對(duì)于MOSFET，要想實(shí)現(xiàn)0電壓的開(kāi)關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)其0電壓開(kāi)通。
為防止上下管直通，同步降壓型變換器的上下管通常有一個(gè)死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)的時(shí)間內(nèi)，上下管均保證關(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(lái)的方向流動(dòng)，所以下部功率MOSFET內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通。寄生二極管導(dǎo)通后，下部MOSFET的漏極和源極的電壓為二極管的正向壓降，幾乎為0，因此在寄生二極管導(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通，開(kāi)通損耗為幾乎0。這樣下管是一個(gè)0電壓 的開(kāi)關(guān)，開(kāi)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(shí)間內(nèi)體內(nèi)寄生二極管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來(lái)的功耗，通常會(huì)并聯(lián)一個(gè)正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管。過(guò)去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管，現(xiàn)在通常將肖特基二極管集成在下部MOSFET管內(nèi)部。起初是將一個(gè)單獨(dú)的肖特基二極管和一個(gè)MOSFET封裝在一起，后來(lái)是將它們做在一個(gè)晶圓上。將一個(gè)晶圓分成二個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)做MOSFET，一個(gè)區(qū)做肖特基二極管。
二極管具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不太容易。在一個(gè)晶圓上分成二個(gè)區(qū)做MOSFET和肖特基二極管，那么肖特基二極管在與MOSFET交界的區(qū)域溫度高，而離MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度低。當(dāng)肖特基二極管溫度高時(shí)，流過(guò)更大的電流，因此與MOSFET交界的肖特基二極管區(qū)域的溫度將進(jìn)一步上升，可能導(dǎo)致局部損壞。現(xiàn)在通常將肖特基二極管的單元做到MOSFET的單元里面，這樣可能得到更好的熱平衡，提高器件可靠性。