零電壓開關(guān)技術(shù)在降壓穩(wěn)壓器上的應(yīng)用

　對降壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵要求通常是尺寸和效率。由于印制電路板面積彌足珍貴，哪個設(shè)計人員也不愿意分配額外的空間給功率設(shè)計方案。此外，由于單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)不斷推陳出新，電路板設(shè)計方案也不斷升級，盡管功率有所增加，但產(chǎn)品尺寸卻不能增大了。因此，高密度穩(wěn)壓器便隨著最新IC集成度的提高、MOSFET技術(shù)的提升及封裝工藝的改良而不斷發(fā)展?？v使這樣，這些穩(wěn)壓器還是無法滿足新系統(tǒng)的應(yīng)用要求。尤其是系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度正日益提高。其主要原因是開關(guān)損耗阻礙穩(wěn)壓器MOSFET的內(nèi)部性能。如果不從根本上解決這些損耗問題，那么只能期望一些微小的性能提升。

　　為何需要零電壓開關(guān)

　　作為Vicor的子公司，Picor半導體長期專注在提供高性能的、基于硅的電源轉(zhuǎn)換與電源管理解決方案。Picor市場營銷及業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Robert Gendron分析說，造成開關(guān)損耗的主要原因在于：一是，硬開關(guān)。現(xiàn)今，大多數(shù)非隔離降壓穩(wěn)壓器拓撲的開關(guān)損耗都很大。原因是在導通和關(guān)斷期間， MOSFET同時承受高電流和高電壓應(yīng)力。當開關(guān)頻率與輸入電壓增高時，這些損耗同時增大，限制了其可以達到的最高工作頻率、效率和功率密度。二是，柵極驅(qū)動損耗。由于柵極驅(qū)動電路內(nèi)的米勒電荷的功耗較高，導至硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動損耗也較高。三是，本體二極管傳導。當高電平端MOSFET導通和關(guān)閉時，高脈動電流通過低電平端MOSFET的本體二極管。本體二極管導通的時間越長，反向恢復損耗和本體二極管傳導損耗便愈高。本體二極管傳導也會造成破壞性的過沖和振鈴。開關(guān)損耗還限制了穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率，開關(guān)頻率越高，MOSFET開關(guān)時間就越長，損耗就越大。如果開關(guān)不能在高頻率切換，將限制更小型無源組件(電阻、電容和電感)的使用，從而使穩(wěn)壓器密度受到影響。眾多電子設(shè)計師希望在負載點使用零電壓開關(guān)(ZVS)。

　　針對上述問題，Picor引入了一個高性能、高度集成、軟開關(guān)降壓穩(wěn)壓器平臺，可高頻工作，大幅度地降低開關(guān)損耗，提高效率。

　　PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器拓樸圖(a)與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器拓樸(b)比較

　　PI33XX產(chǎn)品特性

　　Picor PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品是Picor剛剛推出的新產(chǎn)品，Picor首席應(yīng)用工程師Chris Swartz介紹說，該降壓穩(wěn)壓器可提供最大的功率密度和高效負載點DC-DC穩(wěn)壓。這款獨特的高密度降壓穩(wěn)壓器，在一個表面安裝封裝內(nèi)(10mm×14mm×2.56mm LGA封裝系統(tǒng)(SIP))高度集成了高性能零電壓開關(guān)拓撲以及功率和輔助組件。增加了點負載性能，能提供業(yè)界一流的效率，峰值效率高達98%.可為板級設(shè)計師提供最高的功率密度及設(shè)計靈活性。

　　PI33XX降壓穩(wěn)壓器可將8V~36V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為1V~16V的輸出電壓，輸出電流高達10A，輸出功率高達120W.無需任何額外的元件，采用單線均流方式，交錯使用6個PI33XX降壓穩(wěn)壓器，可進一步增加輸出功率。

　　Chris Swartz說，同傳統(tǒng)穩(wěn)壓器采用的硬開關(guān)拓撲相比，零電壓開關(guān)拓撲是一種軟開關(guān)拓撲，PI33xx的軟開關(guān)技術(shù)具有更高的效率以及更高的密度性能。零電壓開關(guān)拓撲通常是成就高性能隔離電源的因素。在PI33xx內(nèi)部集成零電壓開關(guān)拓撲，實乃業(yè)界首創(chuàng)。

　　PI33XX工作原理

　　PI33XX系列產(chǎn)品使用零電流開關(guān)拓撲，允許穩(wěn)壓器在高頻工作，減少傳統(tǒng)使用硬開關(guān)拓撲的降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)損耗，把效率提到最高。PI33XX系列的高開關(guān)頻率也降低了外部濾波元件的尺寸，提高了功率密度，同時實現(xiàn)了線及負載瞬變的快速動態(tài)響應(yīng)。PI33XX系列在額定輸入的所有電壓范圍內(nèi)維持高開關(guān)頻率工作，且沒有降低效率，最小導通時間是20ns支持輸入電壓高達36V時的最大降壓轉(zhuǎn)換。

　　PI33XX之所以能夠解決傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的高導通損耗問題，是因為在高端MOSFET導通之前，避免高電流體二極管傳導;使高端MOSFET的漏極-源極電壓為零或接近零，而且不產(chǎn)生高電流尖脈沖或有破壞性的振鈴。

　　PI33XX系列產(chǎn)品工作頻率在1.5MHz以上，是傳統(tǒng)高密度穩(wěn)壓器的2倍~3倍。在更高的頻率工作不僅降低無源組件的尺寸，而且降低外部濾波組件的尺寸，并允許對輸入瞬態(tài)和負載瞬態(tài)做出快速動態(tài)響應(yīng)。通過改進開關(guān)拓撲，能夠以更高的效率和更小的尺寸實現(xiàn)對更高電壓的穩(wěn)壓。通過PI33XX中的零電壓開關(guān)拓撲， Picor為工程師提供了一款高性能降壓穩(wěn)壓器，可以將36Vin直接調(diào)節(jié)至3.3V，這是傳統(tǒng)硬開關(guān)高密度穩(wěn)壓器所望塵莫及的。

　　PI33XX系列降壓穩(wěn)壓器只需一個外部電感和最小的陶瓷電容作為輸入和輸出的濾波，便可以組一個完整的高性能穩(wěn)壓器。無需頻率補償、參數(shù)設(shè)置或增加外部元件。產(chǎn)品可工作在較寬的-40?C~125?C溫度范圍，允許在絕大多數(shù)環(huán)境下使用。

　　對于設(shè)計師面臨的復雜配電方案方面的挑戰(zhàn)，Picor PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器是這個類型中唯一的降壓穩(wěn)壓器，它提供一個可選的I2C擴展故障遙測能力，允許報告6個不同類型的故障。其他器件可編程的I2C功能包括裕度、使能引腳的邏輯極性和相位延遲。器件編程很容易通過Cool-Power開發(fā)工具進行。

　　Robert Gendron說：“PicorPI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器系列允許設(shè)計師在板上實現(xiàn)高性能的點負載點電源;負載點降壓穩(wěn)壓器內(nèi)集成ZVS軟開關(guān)拓撲，創(chuàng)建了行業(yè)新的性能標準。結(jié)合Vicor各種功率傳輸至板上的方案，我們正在實現(xiàn)整個配電鏈，從輸入直至點負載的最佳的效率。”