采用ST F7 LV MOSFET技术的单片肖特基二极管：提高应用性能-电子技术方案|电路图讲解

摘要

当一个功率MOSFET管被用在电桥拓扑或用作电源二次侧同步整流管时，体漏二极管的特性以及品质因数将变得非常重要。当需要Qrr 数值很低的软反向恢复时，集成肖特基二极管的新60V ST “F7”功率MOSFET管确保能效和换向性能更加出色。  

I.前言

在同步整流和电桥结构中，RDSon 和 Qg 两个参数并不是对功率MOSFET管的唯一要求，实际上，本征体漏二极管的动态特性对MOSFET整体性能影响很大。体漏二极管的正向压降(VF,diode)影响开关管在续流期间(开关管处于关断状态，电流从源极经本征二极管流至漏极)的功率损耗 ; 反向恢复电荷 (Qrr) 不仅影响开关管在反向恢复过程的损耗，还影响开关性能。MOSFET 管的尖峰电压随着Qrr升高而升高。因此，VFD 和Qrr较低的二极管，例如，肖特基二极管，有助于提高开关管的总体性能，在电桥拓扑或用作同步整流管应用中，当开关频率很高且二极管长时间导通时，提升性能的效果特别明显。本文将在开关电源和电机控制环境中评估内置肖特基二极管的新60 V ST MOSFET管的性能，并对比标准器件，重点论述新产品的优势。  

II。MOSFET本征体漏二极管和肖特基二极管特性

图1所示是一个N沟道功率MOSFET管的典型符号。本征体漏二极管由p-body和n--drift两个区组成，如下图所示，体漏二极管与MOSFET管的导电沟道并联。

图 1 – 功率 MOSFET管的符号

一旦选择了功率MOSFET管，因为硅特性和产品设计的原因，其内部集成的体二极管的特性也就固定下来。本征体漏二极管与场效应管导电沟道并联，所以，分析该本征体漏二极管的动静态特性，特别是在二极管导通条件下，具有重要意义。因此，在反向和正向偏压过程中，需要考虑阻断电压和正向电流的最大值，同时，研究在功率开关管导通后的关断期间的二极管反向恢复过程也很重要(图 2)。当二极管正向偏压变成反向偏压时，电流不会立即降至零值，因为消除通态期间贮存的电荷需要时间。因此，当t = t0时，二极管开始换向操作，电流开始下降，下降斜率(-a)恒定，外部电感和电源电压是决定斜率的唯一因素。在t1之前，二极管被施加正向偏压，从t1到t2，二极管压降上升，达到电源电压；在 t=t2时，反向电流达到最大值。间隔(t3-t0)被称为反向恢复时间(trr)，而负电流与零线之间的区域是反向恢复电荷(Qrr)。tB 期间的电流斜率主要与产品设计和硅特性有关。

图 2 – 二极管反向恢复过程

软度因子(S=t_B/t_A ) 是快软恢复分类标准，这个参数在很多应用领域都十分重要。软度因子越大，反向恢复软度越高。实际上，如果tB区非常短，电流快速变化与电路本征电感就会产生不想看到的电压过冲和振铃效应。尖峰电压可能会高于功率开关管的击穿电压，此外，EMI性能也会恶化。如图2所示，在二极管反向恢复期间，大电流和高反向电压会同时产生耗散功率， 致使系统能效降低。此外，在电桥拓扑中，下桥臂开关管的最大反向恢复电流加到上桥臂开关电流中，致使耗散功率上升至最大额定值。

在体二极管充当续流器件的电桥拓扑、降压转换器或同步整流等开关应用中，反向恢复电荷 (Qrr) 减少有助于系统能效最大化，抑制尖峰电压，降低关断时的开关噪声。在MOSFET结构内集成一个肖特基二极管是一个效果不错的解决方案。集成肖特基二极管的方法是在金属薄膜层与半导体区之间制作一个电触点。电流主要是与多数载流子有关，因为贮存电荷少，肖特基二极管正反偏压切换比其它硅二极管快。此外，肖特基正向压降(≈0.3 V)比标准硅二极管低，这意味着肖特基的通态功率损耗小。

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假设您已经通过迭代信息传递相位边限和回路带宽在锁相环(PLL)上花费了一些时间。但遗憾地是，还是无法在相位噪声、杂散和锁定时间之间达成良好的平衡。感到泄气？想要放弃？等一下！你是否试过伽马优化参数？

伽马优化参数

伽马是一个数值大于零的变量。当伽马等于1时，相位边限在回路频处会达到最大值（图1）。很多回路滤波器设计方法把伽马值设为1，这是个很好的起点，但还有进一步优化的空间。

图1：伽马等于1时的波德图

伽马能够有效用于优化带内相位噪声，尤其是因压控振荡器 (VCO) 带来的提升斜率。此外，如果因为鉴相器频率限制和电荷泵电流，您无法获得更高的回路带宽，伽马能够帮助您打破最大可实现回路带宽的限制。不过，如果您将伽马值设置的很大，则会明显延长锁定时间。

图2所示为伽马对相位噪声的影响。回路带宽和相位边限相同，而伽马值不同。伽马值越高，由于噪声整形回路滤波器平缓度提升，VCO的提升斜率也会变低。

图2：相位噪声 vs 伽马值为1.0882时(a)；相位噪声 vs 伽马值为3.747时(b)

图3所示为二阶回路滤波器下可实现的最大回路带宽 vs 不同的伽马值。鉴相器频率及电荷泵电流保持不变。

图3：回路带宽 vs 伽马值

如果设计目标为100kHz回路带宽，45度相位边限，当伽马值限制为1时，您最多只能得到79kHz的回路带宽。然而，如果您能接受更高的伽马值，如伽马值等于8，则可以实现设计目标。此时，回路带宽为96.6kHz，相位边限为43.4度。

但较高的伽马值也有其蔽处：锁定时间更长。图4所示为不同伽马值下200MHz频率跃变的锁定时间；回路带宽和相位边限保持不变。当伽马值和回路带宽分别为1和3.7，稳定容差在±100Hz范围内，模拟锁定时间值分别为46.5µs与118µs。

图4：锁定时间 vs 伽马值

使用案例

只要伽马值优化参数不限于1，您就能更自由的去开发您的PLL环。例如，如果目标是实现最小时基误差，通常，您需要将回路带宽与相位边限设置为更高的数值。如果伽马值等于1，由于相位边限响应的峰值与回路带宽一致，您可能无法得到期望的高回路带宽值。这种情况下，您可以通过设置大于1的伽马值，牺牲锁定时间。这样，您就可以得到更高的回路带宽值。

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