通訊系統中率降壓型變換器的設計考慮

目前，通訊系統要求越來(lái)越快的處理速度，其集成芯片、處理器單元等電路消耗的電流也越來(lái)越大。同時(shí)，為減小系統的體積和尺寸，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(lái)了系統變換效率的降低。此外，范圍內的能源危機和環(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，以系統既能工作在頻下，實(shí)現小尺寸小體積，又能提系統的整體效率，達到減排的目的。整體效率的提，進(jìn)一步降低了電源系統的發(fā)熱量，提了系統的。通訊系統的系統板使用了大量的降壓型變換器，本文將詳細的討論這種變換器的設計。

降壓型變換器工作特點(diǎn)

在通訊系統的系統板上，前通常是從-48V電源通過(guò)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A(yíng)TCA的通訊系統大多采用12V的中間母線(xiàn)架構，然后再由降壓型變換器將12V向下轉換為3.3、5V、2.5V、1.8V、1.25V等多種不同的電壓。常規的降壓型變換器續流管采用肖特基二管，而同步降壓型變換器下面的續流管卻使用功率MOSFET。由于功率MOSFET的導通電阻Rds（on）小，導通電壓也遠遠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。當輸入電壓較時(shí)，占空比就小。因此，當輸入電壓，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)管導通的時(shí)間將減小，而下部續流開(kāi)關(guān)管導通的時(shí)間將延長(cháng)。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導通電阻Rds（on）也將產(chǎn)生的導通損耗。平均導通損耗與占空比和導通電阻Rds（on）成正比。對于基于A(yíng)TCA的通訊系統，其輸入電壓為12V，輸入輸出的電壓差大，占空比小，因此導通損耗相對較小，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)程中持續的時(shí)間成正比。開(kāi)關(guān)持續的時(shí)間與MOSFET漏柵米勒電容的直接相關(guān)。米勒電容小，開(kāi)關(guān)持續時(shí)間短，則開(kāi)關(guān)損耗低。因此，對于上部MOSFET管的功率損耗，必須同時(shí)考慮開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。為降低導通電阻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(gè)小單元并聯(lián)后的總導通電阻Rds（on）就低。但與此同時(shí)，這也會(huì )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(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，因為在MOSFET的漏和源有一個(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，漏和源電壓幾乎為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。對于MOSFET，要想實(shí)現0電壓的開(kāi)關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實(shí)現其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)死區時(shí)間。在死區的時(shí)間內，上下管均關(guān)斷。當上管關(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寄生二管導通。寄生二管導通后，下部MOSFET的漏和源的電壓為二管的正向壓降，幾乎為0，因此在寄生二管導通后，MOSFET再導通，其導通是0電壓的導通，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，主要是由導通電阻Rds（on）形成導通損耗。下管的選取主要考慮盡量選用低導通電阻Rds（on）的產(chǎn)品。

此外，為減小在死區時(shí)間內體內寄生二管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復帶來(lái)的功耗，通常會(huì )并聯(lián)一個(gè)正向壓降低、反向恢復時(shí)間短的肖特基二管。過(guò)去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)一個(gè)肖特基二管，現在通常將肖特基二管集成在下部MOSFET管。起初是將一個(gè)單的肖特基二管和一個(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，一個(gè)區做MOSFET，一個(gè)區做肖特基二管。

二管具有負溫度系數，并聯(lián)工作不太。在一個(gè)晶圓上分成二個(gè)區做MOSFET和肖特基二管，那么肖特基二管在與MOSFET交界的區域溫度，而離MOSFET較遠的區域溫度低。當肖特基二管溫度時(shí)，流過(guò)大的電流，因此與MOSFET交界的肖特基二管區域的溫度將進(jìn)一步上升，可能導致局部損壞?，F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。