目前,，通訊系統(tǒng)要求越來越快的處理速度,，其內部專用集成芯片、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，內部的低壓大電流的DC/DC 變換器不斷向高頻,、高密度方向發(fā)展,。頻率的提高帶來了系統(tǒng)變換效率的降低。此外,，世界范圍內的能源危機和環(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,，實現(xiàn)小尺寸小體積,，又能提高系統(tǒng)的整體效率，達到節(jié)能減排的目的,。整體效率的提高,，進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)內部的系統(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計,。
降壓型變換器工作特點
在通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)板上,，前級通常是從-48V電源通過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,，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(guī)的降壓型變換器續(xù)流管采用肖特基二級管,，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的導通電阻Rds(on)小,，導通電壓也遠遠低于肖特基二級管的正向壓降,，所以效率更高。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高的效率。
對于降壓型變換器,，有以下的公式：
Vo=Don×Vin
其中,， 為占空比。當輸入電壓較高時,，占空比就小,。因此，當輸入電壓高,，而輸入電壓較低,，即輸入輸出的電壓差較大時，在一個開關周期,，上部主功率開關管導通的時間將減小,，而下部續(xù)流開關管導通的時間將延長。圖1為上部MOSFET管和下部MOSFET管的工作波形,，陰影為產生開關損耗的部分,。
(a) 上管的開關波形
(b) 下管的開關波形
上部MOSFET管在開關的瞬態(tài)過程中產生明顯的開關損耗,，同時MOSFET導通電阻Rds(on)也將產生的導通損耗。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,，因此導通損耗相對較小，而開關損耗占較大比例,。開關損耗主要與開關頻率及MOSFET在開關過程中持續(xù)的時間成正比,。開關持續(xù)的時間與MOSFET漏柵極的米勒電容直接相關。米勒電容小,，開關持續(xù)時間短,，則開關損耗低。因此,，對于上部MOSFET管的功率損耗,，必須同時考慮開關損耗和導通損耗。為降低導通電阻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，多個小單元并聯(lián)后的總導通電阻Rds(on)就更低,。但與此同時,，這也會增加漏極和柵極的相對面積，從而增大漏極和柵極米勒電容,。
從波形可以看到,，對于下部MOSFET管在開關的瞬態(tài)過程中，沒有產生明顯的開關損耗,。通常MOSFET的關斷是一個自然的0電壓的關斷,，因為在MOSFET的漏極和源極有一個寄生的電容。由于電容的電壓不能突變,，所以在關斷的過程瞬態(tài)過程中,，漏極和源極電壓幾乎為0。這樣在關斷的過程中,，電壓與電流的乘積也就是關斷的功耗為0,。對于MOSFET，要想實現(xiàn)0電壓的開關ZVS,，關鍵要實現(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,，上下管均保證關斷,。當上管關斷后，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內部寄生二極管導通。寄生二極管導通后,，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通后,，MOSFET再導通,，其導通是0電壓的導通,，開通損耗為幾乎0,。這樣下管是一個0電壓 的開關，開關損耗幾乎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)的產品,。
此外,，為減小在死區(qū)時間內體內寄生二極管產生的正向壓降功耗和反向恢復帶來的功耗，通常會并聯(lián)一個正向壓降低,、反向恢復時間短的肖特基二極管,。過去主要是在下管MOSFET的外部并聯(lián)一個肖特基二極管，現(xiàn)在通常將肖特基二極管集成在下部MOSFET管內部,。起初是將一個單獨的肖特基二極管和一個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)做肖特基二極管。
二極管具有負溫度系數(shù),，并聯(lián)工作不太容易,。在一個晶圓上分成二個區(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較遠的區(qū)域溫度低,。當肖特基二極管溫度高時，流過更大的電流,，因此與MOSFET交界的肖特基二極管區(qū)域的溫度將進一步上升,，可能導致局部損壞。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,。