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通訊系統(tǒng)中率降壓型變換器的設(shè)計考慮
點擊次數(shù):2461 更新時間:2010-03-01

通訊系統(tǒng)中率降壓型變換器的設(shè)計考慮

目前,通訊系統(tǒng)要求越來越快的處理速度,其集成芯片、處理器單元等電路消耗的電流也越來越大。同時,為減小系統(tǒng)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。頻率的提帶來了系統(tǒng)變換效率的降低。此外,范圍內(nèi)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(tǒng)既能工作在頻下,實現(xiàn)小尺寸小體積,又能提系統(tǒng)的整體效率,達到減排的目的。整體效率的提,進一步降低了電源系統(tǒng)的發(fā)熱量,提了系統(tǒng)的。通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)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(shè)計。

 

降壓型變換器工作特點

 

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,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,在一個開關(guān)周期,上部主功率開關(guān)管導(dǎo)通的時間將減小,而下部續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通的時間將延長。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

 

 

通訊系統(tǒng)中率降壓型變換器的設(shè)計考慮

 

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)的時間成正比。開關(guān)持續(xù)的時間與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,多個小單元并聯(lián)后的總導(dǎo)通電阻Rds(on)就低。但與此同時,這也會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)斷是一個自然的0電壓的關(guān)斷,因為在MOSFET的漏和源有一個寄生的電容。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,要想實現(xiàn)0電壓的開關(guān)ZVS,關(guān)鍵要實現(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一個死區(qū)時間。在死區(qū)的時間內(nèi),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,必須維持原來的方向流動,所以下部功率MOSFET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。這樣下管是一個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,通常會并聯(lián)一個正向壓降低、反向恢復(fù)時間短的肖特基二管。過去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)一個肖特基二管,現(xiàn)在通常將肖特基二管集成在下部MOSFET管。起初是將一個單的肖特基二管和一個MOSFET封裝在一起,后來是將它們做在一個晶圓上。將一個晶圓分成二個區(qū),一個區(qū)做MOSFET,一個區(qū)做肖特基二管。

 

二管具有負溫度系數(shù),并聯(lián)工作不太。在一個晶圓上分成二個區(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較遠的區(qū)域溫度低。當肖特基二管溫度時,流過大的電流,因此與MOSFET交界的肖特基二管區(qū)域的溫度將進一步上升,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。