小型肖特基二极管如何最大限度地降低同步转换器中的噪声

每个开关电源设计人员都敏锐地意识到设计噪声的必要性，以及效率、电路板空间、成本和开发时间带来的拉锯战。同步转换器中使用的MOSFET中的体二极管是一个绝佳的免费赠品——它在死区时间换向期间提供导通路径。同样免费的是它产生的噪音，这不是我们想要的那种“免费”。让我们看看发生了什么，探索小型肖特基二极管如何帮助最小化噪声，并了解这种技术何时以及如何提供帮助。

图1.传统降压稳压器拓扑图

图2.降压控制器开关周期示意图

标准降压转换器拓扑如图1所示。有关其工作的详细DC-DC降压转换器教程，开关周期视图如图2所示。每次关闭一个开关时，都会引入一个死区时间，以确保第一个开关在另一个开关打开之前完全关闭。在此死区时间内，电流必须不断流过电感器，而该电流路径由内置于MOSFET Q中的所谓体二极管提供。2.在这短暂的时间里，有很多事情要做，尤其是在Q1打开，这就是额外的噪音发挥作用的地方。

图3.体二极管反向恢复电流曲线图

图 3 从 Q 之后放大2直到 Q 之后才关闭1打开。当 Q2关闭时，由于电感的磁场崩溃，电流将继续流过电感。这会导致电感两端的电压换向（反转），将开关节点（VSW）拉低，直到体二极管在Q2打开并传导。一旦死区时间过去，Q1已打开。这导致体二极管在Q2变得反向偏向。体二极管是PN结二极管结构，因此具有反向恢复时间的不幸特性。当体二极管最初反向偏置时，电流反向流过二极管。在表示的时间段内 t一个PN结中的电荷载流子被扫除。然后在时间 tb反向电流降至零，因为PN结建立了一个耗尽区域，可以阻止反向偏置。在 t 期间发生的电流脉冲RR在寄生电容和电感中感应电压，这些电压会对电路中的噪声产生重大影响。

有几个因素会影响反向恢复曲线的特性。最大的因素是体二极管具有固有的长反向恢复时间。MOSFET 经过优化，可降低栅极电荷和导通电阻;它们的体二极管是寄生PN结构，与我们在电力电子中使用的其他二极管相比，反向恢复速度较慢。恢复时间也取决于温度，在较高温度下会变得更糟。dI 的比率F反向恢复开始时的/dt主要受电路中的寄生电感的限制，设计人员试图将其降至最低。较低的寄生电感导致较高的dIF/dt，这导致更高的 |我R，最大|.我们几乎无法改善这些因素，因此我们要么接受额外的噪声，要么从工具箱中取出更好的二极管。

图4.添加肖特基二极管D的传统降压转换器示意图S

我们工具箱中更好的二极管是肖特基二极管（DS） 与 MOSFET 的体二极管并联放置，如图 4 所示。肖特基二极管具有较低的正向电压，因此当电感换向时，它而不是体二极管导通。Q 之后1导通，反向偏置 Q2，体二极管已经关闭（因为它从未打开过）。肖特基二极管由金属-半导体结而不是PN结制成，并立即关闭。肖特基二极管中有少量结电容，需要通过从Q1.这看起来类似于体二极管的反向恢复，但幅度较小。

这留下了一些悬而未决的问题：我们何时需要考虑减轻体二极管噪声，如何选择合适的二极管，以及应该如何物理实现？先把理论和跳脚的世界留到实践中去，我们将从一般指导而不是精确计算的角度来思考。导致反向恢复期间功耗的因素可以提供一些见解，由下式给出：

PRR = QRR x VIN x fSW （1）

其中 PRR是以瓦特为单位的功率，QRR是以库仑为单位的体二极管反向恢复电荷，fSW是以赫兹为单位的开关频率。QRR可以在MOSFET数据手册中找到，但通常在室温和特定dI下指定F/dt，这可能与您的特定条件不匹配。例如，QRR可能是指定值的 2.5 倍，因为 MOSFET 远高于 25°C。 尽管如此，等式1提供了一些总体趋势，硬敲大学的经验也是如此。体二极管噪声往往最高：

当开关频率高于300kHz-500kHz时

当输入电压较高时

当MOSFET温度较高时

频率在 10 秒到 100 兆赫之间

选择肖特基二极管时，请注意，它只承载非常短的时间（通常为10s的ns），因此会看到轻热负载。一个相对较小的二极管就足够了。尽可能低的引线电感是肖特基二极管选择的优先事项。最好采用扁平引线的小型表面贴装封装。二极管应尽可能靠近MOSFET放置，以尽量减少两者之间的寄生电感。事实上，有些MOSFET可以集成肖特基二极管，因为寄生电感是有害的。最后，虽然本文以传统的降压转换器拓扑为例，但这些概念同样适用于其他开关转换器类型。

审核编辑：郭婷