每個開關(guān)電源設(shè)計人員都敏銳地意識到設(shè)計噪聲的必要性以及這與效率、電路板空間、成本和開發(fā)時間之間的拉鋸戰(zhàn)。同步轉(zhuǎn)換器中使用的 MOSFET 中的體二極管是極好的免費贈品——它在死區(qū)時間換向期間提供傳導(dǎo)路徑。它產(chǎn)生的噪音也是免費的，這不是我們想要的那種“免費”。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)何時以及如何發(fā)揮作用。

圖 1. 傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器拓撲圖

圖 2. 降壓控制器開關(guān)周期示意圖

標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器拓撲如圖 1所示。提供了有關(guān)其操作的詳細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)閉一個開關(guān)時，都會引入一個死區(qū)時間，以確保第一個開關(guān)在另一個開關(guān)打開之前完全關(guān)閉。在這個死區(qū)時間內(nèi)，電流必須保持流過電感，并且這個電流路徑由內(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，由于其磁場崩潰，電流將繼續(xù)流過電感器。這會導(dǎo)致電感兩端的電壓換向（反向），將開關(guān)節(jié)點 （VSW） 拉低，直到 Q 2中的體二極管開啟并導(dǎo)通。一旦死區(qū)時間過去，Q 1就會開啟。這會導(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)時間的不幸特性。當(dāng)體二極管初始反向偏置時，電流反向流過二極管。在表示為 t a的時間段內(nèi)，PN 結(jié)中的電荷載流子被掃除。然后在時間 t b期間，反向電流下降到零，因為 PN 結(jié)建立了一個可以阻止反向偏置的耗盡區(qū)。在 t rr期間出現(xiàn)的電流脈沖會在寄生電容和電感中感應(yīng)出電壓，這會顯著增加電路中的噪聲。

有幾個因素會影響反向恢復(fù)曲線的特性。最大的因素是體二極管本身具有較長的反向恢復(fù)時間。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)，與我們在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)開始時的 dI F /dt 速率主要受電路中寄生電感的限制，設(shè)計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)電感器換向時它會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（因為它從未開啟過）。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流出的電流對其進行充電。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)該如何物理實現(xiàn)？離開理論和跳腳的世界首先進入實踐，我們將根據(jù)一般指導(dǎo)而不是精確計算進行思考。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，就像 Hard Knocks 大學(xué)的經(jīng)驗一樣。體二極管噪聲往往最高：

當(dāng)開關(guān)頻率在 300kHz-500kHz 以上時

當(dāng)輸入電壓高時

當(dāng) MOSFET 溫度較高時

在 10MHz 到 100MHz 的頻率范圍內(nèi)

選擇肖特基二極管時，請注意它僅在很短的時間內(nèi)（通常為 10 ns）承載換向電流，因此會看到輕微的熱負載。一個相對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。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。事實上，有集成肖特基二極管的 MOSFET 可用，因為寄生電感是有害的。最后，雖然本文以傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器拓撲為例，但這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行緩解。在你的工具箱中擁有這個工具可能有助于解決你未來的一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

審核編輯：郭婷