新型功率系統級封裝隔離DC-DC轉換器

　　PI3101的核心是具有專(zhuān)利的雙鉗位零電壓開(kāi)關(guān)功率級拓撲，工作在斷續模式，操作頻率超過(guò)1MHz。圖2是PI3101 的拓撲圖，用來(lái)解釋其基本工作原理。

　　PI3101使用了四個(gè)原邊MOSFET和一個(gè)同步MOSFET，共同組成了功率傳輸的子系統。 Q1和Q4是功率開(kāi)關(guān)管，Q2和Q5是鉗位開(kāi)關(guān)管，Q3是同步MOSFET。此拓撲的功率循環(huán)有6個(gè)顯著(zhù)階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結束為開(kāi)始，如圖3所示。

　　1.鉗位階段到 T1的轉換

　　Q2與Q4開(kāi)通，Q5與Q1關(guān)斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout*(Np/Ns)的反射電壓。如果變壓器磁芯已經(jīng)復位，那么最小周期定時(shí)器使Q2關(guān)斷。如果需要額外的復位時(shí)間，最小周期將延長(cháng)至磁芯完成復位。只要Q2與Q4全部開(kāi)通，就會(huì )有鉗位電流，Q2關(guān)斷后將轉化為勵磁電流，同時(shí)原邊繞組上產(chǎn)生伏—秒。必須有持續的勵磁電流，因此VS1節點(diǎn)隨著(zhù)Q2的D-S電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin。隨著(zhù)VS1的上升，專(zhuān)用控制器激活原邊的伏—秒監控。

　　2.T1的功率儲能階段

　　Q1零電壓開(kāi)通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲存的能量由內部誤差放大器決定，是負載電流和線(xiàn)電壓的函數。在這個(gè)過(guò)程，Q1與Q4全部開(kāi)通。專(zhuān)用控制器開(kāi)始監控原邊的伏—秒。

　　3.向T3階段的轉換

　　Q1與Q4快速關(guān)斷。專(zhuān)用驅動(dòng)器和MOSFET使此轉換為無(wú)損轉換。VS1的下降和VS2的上升都非?？?，然后進(jìn)入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時(shí)所有的開(kāi)關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài)。

　　4.功率傳輸階段

　　Q2和Q5開(kāi)通后，同步MOSFET Q3開(kāi)通。變壓器電感、鉗位電容以及專(zhuān)用智能門(mén)極驅動(dòng)形成了諧振電路，Q3在最佳點(diǎn)以無(wú)損方式開(kāi)通(和關(guān)斷)。隨著(zhù)變壓器中儲存的能量釋放到負載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

　　5.鉗位階段的轉換

　　T3結束時(shí)能量已傳遞到負載，驅動(dòng)器關(guān)斷Q3。主控制器監控原邊伏—秒，并確定變壓器復位何時(shí)完成，然后關(guān)段Q5。VS2下降允許零電壓開(kāi)通Q4。

　　6.鉗位階段

　　Q2和Q4再次開(kāi)通。此時(shí)輸出電壓由具有專(zhuān)利的采樣反饋接口進(jìn)行監測，并由PI3101控制電路進(jìn)行處理。最小周期定時(shí)器結束后，啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節點(diǎn)的零電壓開(kāi)通。

　　與其它轉換器相比

　　不難就相對尺寸、功率密度、效率和瞬態(tài)響應來(lái)對隔離電源轉換器的品質(zhì)因數進(jìn)行直接比較。真正的困難在于找到另一隔離電源產(chǎn)品來(lái)與PI3101進(jìn)行比較。由于PI3101是目前市場(chǎng)上這個(gè)級別的首款產(chǎn)品，我們自然試圖將它與之前有的產(chǎn)品進(jìn)行比較，而不考慮尺寸差異。為了滿(mǎn)足這種天生的好奇心，表1比較了兩款當前商用1/16磚的其它電源轉換器。這兩款轉換器稱(chēng)為轉換器X 和轉換器Y。應該注意到轉換器Y代表業(yè)界最好的1/16磚，而轉換器X代表現有轉換器的平均水平。表1列出一些標準技術(shù)規格，并與PI3101進(jìn)行了對比。

　　由表1明顯地看到，PI3101與其兩倍尺寸大小的轉換器相比仍具有競爭力。PI3101的滿(mǎn)載效率同X轉換器的滿(mǎn)載效率相等，但在功率密度上卻有顯著(zhù)提高。PI3101的功率密度比業(yè)界1/16磚最大功率的功率密度高兩倍以上，是平均功率密度的3.5倍。實(shí)際上，如果轉換器Y的功率密度同PI3101的功率密度相等，那么在相同的封裝內它可產(chǎn)生將近180W的輸出功率，但由于商用方案固有技術(shù)的限制，最高功率密度也受到制約。為滿(mǎn)足1/16磚的典型需求，PI3101應該能夠滿(mǎn)足平均負載、瞬態(tài)響應、輸出精度的要求，并具有相似的效率。表1顯示的數據表明，PI3101滿(mǎn)足了這一條件的同時(shí)封裝尺寸減少一半，是尺寸敏感應用的理想選擇。