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通訊系統中率降壓型變換器的設計考慮
點(diǎn)擊次數:2720 更新時(shí)間:2010-03-01

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

 

 

通訊系統中率降壓型變換器的設計考慮

 

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。

 


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