本文討論如何使用20V MOSFET來代替30V MOSFET，以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)臺式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器的高效率DC-DC變換器設(shè)計(jì)，并克服變換器產(chǎn)生的尖峰電壓。
新的功能部件、更大的數(shù)據(jù)存儲容量和增強(qiáng)的用戶友好界面是不斷推動PC市場增長的動力。英特爾和AMD公司推出的用于臺式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器的、速度更快的GHz級處理器需要瞬態(tài)響應(yīng)更快的大電流DC-DC變換器。同時，隨著低于1,000美元的PC市場的增長，低成本變得比以往任何時候更加重要。
分布式供電工程師所面臨的挑戰(zhàn)在于：必須在緊湊的空間和最低的成本條件下設(shè)計(jì)具有高效率的散熱和電器特性的DC-DC變換器。本文討論如何使用IR公司推出的20V MOSFET來代替30V MOSFET，以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)臺式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器的高效率DC-DC變換器設(shè)計(jì)。
DC-DC降壓變換器中的功率損耗
英特爾和AMD公司最新的電壓調(diào)節(jié)規(guī)范要求400A/μs的負(fù)載電流轉(zhuǎn)換率和100A以上的峰值電流。這就是說，即使處理器在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行從低電流的“睡眠模式”到高電流的“激活模式”的電流加載操作時，CPU的內(nèi)核供電電壓也必須保持在規(guī)定的容差范圍內(nèi)。為了獲得具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的電路，提高轉(zhuǎn)換頻率是一種解決方案。要在提高頻率的同時保持或增加電源供應(yīng)效率則是一件需要精心設(shè)計(jì)的艱巨任務(wù)。要設(shè)計(jì)高性能的DC-DC變換器，必須首先弄清楚同步降壓變換器中的功率損耗。
臺式機(jī)電源管理系統(tǒng)采用一種分布式的結(jié)構(gòu)。它使用AC-DC轉(zhuǎn)換器將交流線電壓(85到265V)轉(zhuǎn)換為12V直流電。然后，這個12V經(jīng)過調(diào)節(jié)的直流電壓通過一個輸入為12V、輸出為2V的同步降壓變換器轉(zhuǎn)換為CPU所需的電壓。根據(jù)所需的電流大小，可以使用單相或多相降壓變換器。
在降壓變換器的功率損耗中，功率MOSFET占了一半以上。在對變換效率有著嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合中，這一點(diǎn)非常重要。進(jìn)一步的分析表明，可以將功率損耗分解到兩個FET(場效應(yīng)管)上，即控制FET(Q1)和同步FET(Q2)，然后使用下面的近似方程式來進(jìn)行計(jì)算：
Ploss Q1=((Irms)2×R(DS(on)))+(I ×Qsw/Ig×Vin×f)+(Qg×Vg×f)+(Qoss/2×Vin×f) (1)
Ploss Q1=(傳導(dǎo))+(切換)+(門驅(qū)動)+(輸出電容)
Ploss Q2=((Irms)2×R(DS(on)))+ (Qg×Vg×f)+(Qoss/2×Vin×f)+ (Qrr×Vin×f) (2)
Ploss Q2=(傳導(dǎo))+(門驅(qū)動)+(輸出電容)+(體二極管反向恢復(fù)損耗)
Q1影響切換的速度，在保持一個適當(dāng)導(dǎo)通電阻的條件下，將切換電荷Qsw和門電阻Rg降到最低是很重要的要求。理想情況下，如果對RDS(on)和Qsw給予同樣的重視程度，當(dāng)切換損耗和傳導(dǎo)損耗近似相等時，可以得到最佳的效率。
在Q2中的損耗主要是傳導(dǎo)損耗，因此RDS(on)是同步FET最重要的參數(shù)。事實(shí)上，RDS(on)越小效率越高，但這樣也會使得成本更高。不過，當(dāng)切換速率達(dá)到1MHz時，消耗在驅(qū)動器上的功率就應(yīng)當(dāng)引起注意。減小同步FET的總門電荷Qg有顯著好處。