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通訊系統(tǒng)中率降壓型變換器的設(shè)計(jì)考慮

目前，通訊系統(tǒng)要求越來越快的處理速度，其內(nèi)部集成芯片、處理器單元等電路消耗的電流也越來越大。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 變換器不斷向頻、方向發(fā)展。頻率的提帶來了系統(tǒng)變換效率的降低。此外，范圍內(nèi)的能源危機(jī)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(tǒng)既能工作在頻下，實(shí)現(xiàn)小尺寸小體積，又能提系統(tǒng)的整體效率，達(dá)到減排的目的。整體效率的提，進(jìn)步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量，提了系統(tǒng)的。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，前通常是從-48V電源通過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(dāng)輸入電壓較時(shí)，占空比就小。因此，當(dāng)輸入電壓，而輸入電壓較低，即輸入輸出的電壓差較大時(shí)，在個(gè)開關(guān)周期，上部主功率開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將減小，而下部續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間將延長。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形，陰影為產(chǎn)生開關(guān)損耗的部分。

（a） 上管的開關(guān)波形

（b） 下管的開關(guān)波形

上部MOSFET管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中產(chǎn)生明顯的開關(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)通損耗相對較小，而開關(guān)損耗占較大比例。開關(guān)損耗主要與開關(guān)頻率及MOSFET在開關(guān)過程中持續(xù)的時(shí)間成正比。開關(guān)持續(xù)的時(shí)間與MOSFET漏柵米勒電容的直接相關(guān)。米勒電容小，開關(guān)持續(xù)時(shí)間短，則開關(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(dǎo)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管在開關(guān)的瞬態(tài)過程中，沒有產(chǎn)生明顯的開關(guān)損耗。通常MOSFET的關(guān)斷是個(gè)自然的0電壓的關(guān)斷，因?yàn)樵贛OSFET的漏和源有個(gè)寄生的電容。由于電容的電壓不能突變，所以在關(guān)斷的過程瞬態(tài)過程中，漏和源電壓幾乎為0。這樣在關(guān)斷的過程中，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(xiàn)0電壓的開關(guān)ZVS，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)其0電壓開通。

為防止上下管直通，同步降壓型變換器的上下管通常有個(gè)死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)的時(shí)間內(nèi)，上下管均關(guān)斷。當(dāng)上管關(guān)斷后，由于輸出電感的電流不能突變，必須維持原來的方向流動(dòng)，所以下部功率MOSFET內(nèi)部寄生二管導(dǎo)通。寄生二管導(dǎo)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(dǎo)通后，MOSFET再導(dǎo)通，其導(dǎo)通是0電壓的導(dǎo)通，開通損耗為幾乎0。這樣下管是個(gè)0電壓 的開關(guān)，開關(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)寄生二管產(chǎn)生的正向壓降功耗和反向恢復(fù)帶來的功耗，通常會(huì)并聯(lián)個(gè)正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二管。過去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)個(gè)肖特基二管，現(xiàn)在通常將肖特基二管集成在下部MOSFET管內(nèi)部。起初是將個(gè)單的肖特基二管和個(gè)MOSFET封裝在起，后來是將它們做在個(gè)晶圓上。將個(gè)晶圓分成二個(gè)區(qū)，個(gè)區(qū)做MOSFET，個(gè)區(qū)做肖特基二管。

二管具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不太。在個(gè)晶圓上分成二個(gè)區(qū)做MOSFET和肖特基二管，那么肖特基二管在與MOSFET交界的區(qū)域溫度，而離MOSFET較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度低。當(dāng)肖特基二管溫度時(shí)，流過大的電流，因此與MOSFET交界的肖特基二管區(qū)域的溫度將進(jìn)步上升，可能導(dǎo)致局部損壞?，F(xiàn)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。