零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)在降壓穩壓器上的應用

　對降壓穩壓器的關(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(gè)設計人員也不愿意分配額外的空間給功率設計方案。此外，由于單片機和數字信號處理器(DSP)不斷推陳出新，電路板設計方案也不斷升級，盡管功率有所增加，但產(chǎn)品尺寸卻不能增大了。因此，高密度穩壓器便隨著(zhù)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，這些穩壓器還是無(wú)法滿(mǎn)足新系統的應用要求。尤其是系統內部的功率密度正日益提高。其主要原因是開(kāi)關(guān)損耗阻礙穩壓器MOSFET的內部性能。如果不從根本上解決這些損耗問(wèn)題，那么只能期望一些微小的性能提升。

　　為何需要零電壓開(kāi)關(guān)

　　作為Vicor的子公司，Picor半導體長(cháng)期專(zhuān)注在提供高性能的、基于硅的電源轉換與電源管理解決方案。Picor市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)及業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Robert Gendron分析說(shuō)，造成開(kāi)關(guān)損耗的主要原因在于：一是，硬開(kāi)關(guān)?，F今，大多數非隔離降壓穩壓器拓撲的開(kāi)關(guān)損耗都很大。原因是在導通和關(guān)斷期間， MOSFET同時(shí)承受高電流和高電壓應力。當開(kāi)關(guān)頻率與輸入電壓增高時(shí)，這些損耗同時(shí)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，柵極驅動(dòng)損耗。由于柵極驅動(dòng)電路內的米勒電荷的功耗較高，導至硬開(kāi)關(guān)拓撲結構的柵極驅動(dòng)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(shí)，高脈動(dòng)電流通過(guò)低電平端MOSFET的本體二極管。本體二極管導通的時(shí)間越長(cháng)，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(huì )造成破壞性的過(guò)沖和振鈴。開(kāi)關(guān)損耗還限制了穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率越高，MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間就越長(cháng)，損耗就越大。如果開(kāi)關(guān)不能在高頻率切換，將限制更小型無(wú)源組件(電阻、電容和電感)的使用，從而使穩壓器密度受到影響。眾多電子設計師希望在負載點(diǎn)使用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。

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

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

　　PI33XX產(chǎn)品特性

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

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

　　Chris Swartz說(shuō)，同傳統穩壓器采用的硬開(kāi)關(guān)拓撲相比，零電壓開(kāi)關(guān)拓撲是一種軟開(kāi)關(guān)拓撲，PI33xx的軟開(kāi)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(kāi)關(guān)拓撲通常是成就高性能隔離電源的因素。在PI33xx內部集成零電壓開(kāi)關(guān)拓撲，實(shí)乃業(yè)界首創(chuàng )。

　　PI33XX工作原理

　　PI33XX系列產(chǎn)品使用零電流開(kāi)關(guān)拓撲，允許穩壓器在高頻工作，減少傳統使用硬開(kāi)關(guān)拓撲的降壓穩壓器的開(kāi)關(guān)損耗，把效率提到最高。PI33XX系列的高開(kāi)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(shí)實(shí)現了線(xiàn)及負載瞬變的快速動(dòng)態(tài)響應。PI33XX系列在額定輸入的所有電壓范圍內維持高開(kāi)關(guān)頻率工作，且沒(méi)有降低效率，最小導通時(shí)間是20ns支持輸入電壓高達36V時(shí)的最大降壓轉換。

　　PI33XX之所以能夠解決傳統穩壓器的高導通損耗問(wèn)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，是傳統高密度穩壓器的2倍~3倍。在更高的頻率工作不僅降低無(wú)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(dòng)態(tài)響應。通過(guò)改進(jìn)開(kāi)關(guān)拓撲，能夠以更高的效率和更小的尺寸實(shí)現對更高電壓的穩壓。通過(guò)PI33XX中的零電壓開(kāi)關(guān)拓撲， Picor為工程師提供了一款高性能降壓穩壓器，可以將36Vin直接調節至3.3V，這是傳統硬開(kāi)關(guān)高密度穩壓器所望塵莫及的。

　　PI33XX系列降壓穩壓器只需一個(gè)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(gè)完整的高性能穩壓器。無(wú)需頻率補償、參數設置或增加外部元件。產(chǎn)品可工作在較寬的-40?C~125?C溫度范圍，允許在絕大多數環(huán)境下使用。

　　對于設計師面臨的復雜配電方案方面的挑戰，Picor PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩壓器是這個(gè)類(lèi)型中唯一的降壓穩壓器，它提供一個(gè)可選的I2C擴展故障遙測能力，允許報告6個(gè)不同類(lèi)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(guò)Cool-Power開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行。

　　Robert Gendron說(shuō)：“PicorPI33XX Cool-Power ZVS降壓穩壓器系列允許設計師在板上實(shí)現高性能的點(diǎn)負載點(diǎn)電源;負載點(diǎn)降壓穩壓器內集成ZVS軟開(kāi)關(guān)拓撲，創(chuàng )建了行業(yè)新的性能標準。結合Vicor各種功率傳輸至板上的方案，我們正在實(shí)現整個(gè)配電鏈，從輸入直至點(diǎn)負載的最佳的效率?！?/P>