新型降壓穩壓器拓撲在寬輸入、高用電量負載中的應用

　　摘要：本文介紹了一種“零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)降壓”的新型降壓穩壓器拓撲，說(shuō)明了其給系統帶來(lái)的優(yōu)勢和其在Picor Cool-Power ZVS降壓穩壓器系列產(chǎn)品中的集成。

　　概述

　　在當今電子系統應用中，需要更高的功率密度、效率、功率輸出的能力以及寬輸入及轉換比，但是在高輸入電壓或更高頻率的寬工作范圍時(shí)，傳統的硬開(kāi)關(guān)會(huì )帶來(lái)相當大的損耗。對于硬開(kāi)關(guān)拓撲而言，它面臨著(zhù)3個(gè)重大挑戰：

　　1. 硬開(kāi)關(guān)：在高電平端主開(kāi)關(guān)上有高電壓時(shí)，同時(shí)流過(guò)大電流將產(chǎn)生與頻率和電壓相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，它是寬動(dòng)態(tài)范圍下工作的直接障礙。具有更好的開(kāi)關(guān)速度優(yōu)點(diǎn)的下一代MOSFET技術(shù)應可允許更快的開(kāi)關(guān)。更快的開(kāi)關(guān)切換也具有自身的問(wèn)題：硬開(kāi)關(guān)(即使是更快的開(kāi)關(guān))通常帶來(lái)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的尖峰和振鈴，而且還必須克服電磁干擾(EMI)和柵極驅動(dòng)損毀。當輸入電壓和輸入頻率較高時(shí)，這些問(wèn)題也更加嚴重，因此，在需要更高電壓或更高頻率的寬工作范圍時(shí)，高速開(kāi)關(guān)不具備什么吸引力。

　　2. 體二極管的導通：同步體二極管的導通不僅不利于高效率，而且限制可能達到的開(kāi)關(guān)頻率。在高電平端開(kāi)關(guān)開(kāi)啟之前且同步MOSFET關(guān)閉之后，這些同步體二極管通常具有一定的導通時(shí)間。

　　3. 柵極驅動(dòng)損耗：在高頻率開(kāi)關(guān)MOSFET時(shí)將帶來(lái)更高的柵極驅動(dòng)損耗。

　　本文介紹一種“零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)降壓”的新型降壓穩壓器拓撲，并說(shuō)明如何把這些拓撲集成在Picor Cool-Power ZVS降壓穩壓器系列產(chǎn)品內。新型零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)降壓穩壓器的仿真模型，說(shuō)明這種新型的零電壓開(kāi)關(guān)拓撲是如何通過(guò)減少上述3個(gè)挑戰帶來(lái)的影響，來(lái)實(shí)現更高的功率密度、效率、功率輸出的能力以及寬輸入及轉換比。在介紹工作原理的同時(shí)，還將介紹零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS) 降壓拓撲帶來(lái)的諸多益處。

　　傳統仿真模型

　　圖1給出了典型的傳統降壓穩壓器拓撲圖以及相關(guān)的寄生電感，包括MOSFET和/或印制電路板走線(xiàn)本身的寄生電感。為了圖示說(shuō)明本拓撲在較高頻率應用時(shí)的限制因素，我們利用同類(lèi)最佳MOSFET(以及制造商的SPICE模型)建立一個(gè)仿真模型?！　?/p>

 

　　假定這個(gè)轉換器設計將36V輸入電壓降低至12V，滿(mǎn)載電流是 8A。此仿真模型工作在650kHz時(shí)采用1個(gè)2mH電感，工作在1.3MHz時(shí)采用1個(gè)1mH電感。MOSFET導通電阻是10 mΩ。對于4個(gè)寄生電感，源端寄生電感Lshs設定為 300 pH;其他電感值設定為100 pH。這樣做是基于與電源系統級封裝(PSiP)電源設計概念相關(guān)的封裝及布局技術(shù)。高電平端柵極驅動(dòng)器使用4Ω源電阻來(lái)實(shí)現最小振鈴，并使用1Ω灌電阻來(lái)加快關(guān)閉速度;對于低電平端驅動(dòng)器，在兩種情況下均使用1Ω源電阻和灌電阻。