每個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員都敏銳地意識(shí)到設(shè)計(jì)噪聲的必要性以及這與效率、電路板空間、成本和開發(fā)時(shí)間之間的拉鋸戰(zhàn)。同步轉(zhuǎn)換器中使用的 MOSFET 中的體二極管是極好的免費(fèi)贈(zèng)品——它在死區(qū)時(shí)間換向期間提供傳導(dǎo)路徑。它產(chǎn)生的噪音也是免費(fèi)的，這不是我們想要的那種“免費(fèi)”。讓我們看看發(fā)生了什么，探索小型肖特基二極管如何幫助最小化噪聲，并了解這種技術(shù)何時(shí)以及如何發(fā)揮作用。

圖 1. 傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器拓?fù)鋱D

圖 2. 降壓控制器開關(guān)周期示意圖

標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)淙鐖D 1所示。提供了有關(guān)其操作的詳細(xì)DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器教程，開關(guān)周期的視圖如圖 2所示。每次關(guān)閉一個(gè)開關(guān)時(shí)，都會(huì)引入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以確保第一個(gè)開關(guān)在另一個(gè)開關(guān)打開之前完全關(guān)閉。在這個(gè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流必須保持流過電感，并且這個(gè)電流路徑由內(nèi)置在 MOSFET Q 2中的所謂體二極管提供。在這短暫的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很多事情，特別是在 Q 1開啟的那一刻，這就是額外的噪音發(fā)揮作用的地方。

圖 3. 體二極管反向恢復(fù)電流曲線圖

圖 3從 Q 2剛關(guān)閉到 Q 1打開后放大。當(dāng) Q 2關(guān)斷時(shí)，由于其磁場(chǎng)崩潰，電流將繼續(xù)流過電感器。這會(huì)導(dǎo)致電感兩端的電壓換向（反向），將開關(guān)節(jié)點(diǎn) （VSW） 拉低，直到 Q 2中的體二極管開啟并導(dǎo)通。一旦死區(qū)時(shí)間過去，Q 1就會(huì)開啟。這會(huì)導(dǎo)致 Q 2中的體二極管成為反向偏見。體二極管是 PN 結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，因此具有反向恢復(fù)時(shí)間的不幸特性。當(dāng)體二極管初始反向偏置時(shí)，電流反向流過二極管。在表示為 t a的時(shí)間段內(nèi)，PN 結(jié)中的電荷載流子被掃除。然后在時(shí)間 t b期間，反向電流下降到零，因?yàn)?PN 結(jié)建立了一個(gè)可以阻止反向偏置的耗盡區(qū)。在 t rr期間出現(xiàn)的電流脈沖會(huì)在寄生電容和電感中感應(yīng)出電壓，這會(huì)顯著增加電路中的噪聲。

有幾個(gè)因素會(huì)影響反向恢復(fù)曲線的特性。最大的因素是體二極管本身具有較長(zhǎng)的反向恢復(fù)時(shí)間。MOSFET 經(jīng)過優(yōu)化以減少柵極電荷和導(dǎo)通電阻；它們的體二極管是寄生 PN 結(jié)構(gòu)，與我們?cè)?a href="www.makelele.cn/article/special/" target="_blank">電力電子中使用的其他二極管相比，反向恢復(fù)速度較慢?；謴?fù)時(shí)間也取決于溫度，在更高的溫度下變得更糟。反向恢復(fù)開始時(shí)的 dI F /dt 速率主要受電路中寄生電感的限制，設(shè)計(jì)人員試圖將其最小化。較低的寄生電感導(dǎo)致更高的 dI F /dt，從而導(dǎo)致更高的 |I R，MAX|。我們幾乎無法（如果有的話）改善這些因素，因此我們要么接受額外的噪音，要么從工具箱中取出更好的二極管。

圖 4. 添加了肖特基二極管 D S的傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器示意圖

我們工具箱中較好的二極管是與 MOSFET 的體二極管并聯(lián)放置的肖特基二極管 （DS ） ，如圖 4所示。肖特基二極管具有較低的正向電壓，因此當(dāng)電感器換向時(shí)它會(huì)打開而不是體二極管。在 Q 1開啟后，反向偏置 Q 2，體二極管已經(jīng)關(guān)閉（因?yàn)樗鼜奈撮_啟過）。肖特基二極管由金屬-半導(dǎo)體結(jié)而非 PN 結(jié)制成，并立即關(guān)閉。肖特基二極管中存在少量結(jié)電容，需要通過從 Q 1流出的電流對(duì)其進(jìn)行充電。這看起來類似于體二極管的反向恢復(fù)，但幅度較小。

這留下了一些懸而未決的問題：我們什么時(shí)候需要考慮減輕體二極管噪聲，我們?nèi)绾芜x擇合適的二極管，以及它應(yīng)該如何物理實(shí)現(xiàn)？離開理論和跳腳的世界首先進(jìn)入實(shí)踐，我們將根據(jù)一般指導(dǎo)而不是精確計(jì)算進(jìn)行思考。導(dǎo)致反向恢復(fù)期間功耗的因素可以提供一些見解，并由下式給出：

P RR = Q RR x V IN xf SW等式 （1）

其中 P RR是以瓦特為單位的功率，Q RR是以庫侖為單位的體二極管反向恢復(fù)電荷，而 fSW 是以赫茲為單位的開關(guān)頻率。Q RR可以在 MOSFET 數(shù)據(jù)表中找到，但通常在室溫和特定 dI F /dt 下指定，這可能與您的特定條件不匹配。例如，由于 MOSFET 遠(yuǎn)高于 25°C ，Q RR可能是規(guī)定值的 2.5 倍。盡管如此，方程式 1 提供了一些總體趨勢(shì)，就像 Hard Knocks 大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)一樣。體二極管噪聲往往最高：

當(dāng)開關(guān)頻率在 300kHz-500kHz 以上時(shí)

當(dāng)輸入電壓高時(shí)

當(dāng) MOSFET 溫度較高時(shí)

在 10MHz 到 100MHz 的頻率范圍內(nèi)

選擇肖特基二極管時(shí)，請(qǐng)注意它僅在很短的時(shí)間內(nèi)（通常為 10 ns）承載換向電流，因此會(huì)看到輕微的熱負(fù)載。一個(gè)相對(duì)較小的二極管就足夠了。盡可能低的引線電感是肖特基二極管選擇的優(yōu)先事項(xiàng)。帶有扁平引線的小型表面貼裝封裝是最好的。二極管應(yīng)放置在盡可能靠近 MOSFET 的位置，以盡量減少兩者之間的寄生電感。事實(shí)上，有集成肖特基二極管的 MOSFET 可用，因?yàn)榧纳姼惺怯泻Φ?。最后，雖然本文以傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇槔@些概念同樣適用于其他開關(guān)轉(zhuǎn)換器類型。

希望這篇文章能夠讓您了解 MOSFET 體二極管產(chǎn)生的噪聲，以及如何以及為什么可以使用肖特基二極管進(jìn)行緩解。在你的工具箱中擁有這個(gè)工具可能有助于解決你未來的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

審核編輯：郭婷