降低器件損耗的零電壓開降壓轉(zhuǎn)換器

已知使用諧振拓撲結(jié)構(gòu)的降壓轉(zhuǎn)換器可提供比基于傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)或硬開關(guān)架構(gòu)的電源更高的性能。盡管傳統(tǒng)的高密度硬開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)發(fā)展成為改進的半導(dǎo)體集成，低導(dǎo)通電阻MOSFET和先進的封裝，但它們的設(shè)計已不再足以滿足新的功率需求，這主要是由于其內(nèi)部的開關(guān)損耗。穩(wěn)壓器MOSFET，隨著開關(guān)頻率或輸入電壓的增加而增加。

此外，傳統(tǒng)降壓調(diào)節(jié)器由于柵極驅(qū)動電路內(nèi)的米勒電荷耗散而表現(xiàn)出更高的柵極驅(qū)動損耗。同樣，由于反向恢復(fù)和長導(dǎo)通，高端MOSFET的體二極管導(dǎo)通會導(dǎo)致更高的功率損耗(圖1)。因此，必須克服或大幅減少這些損失，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)器性能的任何顯著提升。此外，硬開關(guān)拓撲需要相對較大的輸出電感，這會增加穩(wěn)壓器的尺寸和成本。

圖1：在傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器中，硬開關(guān)轉(zhuǎn)換和體二極管反向恢復(fù)將高端MOSFET Q1暴露在非常高的導(dǎo)通損耗之下。

零電壓開關(guān)的好處另一個更好的選擇是使用零電壓開關(guān)(ZVS)等諧振拓撲，這樣可以在更高頻率和更高電壓下工作，而不會犧牲效率和尺寸?；赯VS的穩(wěn)壓器也稱為軟開關(guān)穩(wěn)壓器。 ZVS降壓穩(wěn)壓器拓撲的一些主要優(yōu)勢包括低導(dǎo)通損耗，理想整流器開關(guān)導(dǎo)致的體二極管導(dǎo)通時間可忽略不計，高輸入電壓保持高頻工作，內(nèi)部補償簡單 - 允許高帶寬，增益和相位裕度 - 以及少量輸出電容的快速瞬態(tài)響應(yīng)。更重要的是，它提供最短20 ns的時間來支持非常高的轉(zhuǎn)換率，并且由于高效率的偏置系統(tǒng)與脈沖跳躍相結(jié)合，可提供出色的輕載效率。

如圖2所示，ZVS設(shè)計通過在高端MOSFET導(dǎo)通之前消除高電流體二極管導(dǎo)通來解決傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的高導(dǎo)通損耗，從而使漏極 - 源極電壓達到高電平MOSFET的零點或接近零點，不產(chǎn)生高電流尖峰或損壞振鈴。應(yīng)用于Q1的ZVS動作在開啟時消除了其米勒效應(yīng)，允許使用更小的驅(qū)動器和更低的柵極驅(qū)動。

圖2：軟開關(guān)諧振ZVS架構(gòu)幾乎消除了開關(guān)損耗并消除了米勒的電荷效應(yīng)。

另一方面，實現(xiàn)這種巧妙的拓撲結(jié)構(gòu)以在DC/DC轉(zhuǎn)換器中獲得功率密度和轉(zhuǎn)換效率方面的最大結(jié)果并非易事。它需要全面的知識和經(jīng)驗來構(gòu)建基于諧振拓撲的電源，尤其是ZVS。多年來，Vicor工程師已經(jīng)獲得并展示了該領(lǐng)域的特殊技能，包括獲得多項專利。

基于ZVS的降壓穩(wěn)壓器

這一專業(yè)技術(shù)體現(xiàn)在電源制造商的新系列降壓穩(wěn)壓器系列PI33xx上。基于ZVS的降壓穩(wěn)壓器系列屬于該公司的Cool-Power系列，可為負載點(POL)調(diào)節(jié)提供最大功率密度和高效率。為了將這種高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器封裝在緊湊的表面貼裝封裝中，供應(yīng)商將專利的ZVS拓撲與優(yōu)化的功率半導(dǎo)體和無源元件相結(jié)合。此外，PCB基板上的布局經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)高性能。

這些基于8，10和15 A ZVS的降壓穩(wěn)壓器具有多種優(yōu)勢，包括更高的效率，更高的功率密度，以及有效降低更高輸入電壓的能力。 PI33xx系列的其他優(yōu)點包括快速瞬態(tài)響應(yīng)，使用單線電流共享交錯穩(wěn)壓器的能力，遙測功能以及寬工作溫度范圍。由于PI33xx系列的成員與控制電路，功率半導(dǎo)體和支持組件高度集成，采用10 x 14 x 2.56 mm LGA系統(tǒng)級封裝(SiP)封裝，因此只需很少的外部元件。

PI3301的典型應(yīng)用電路如圖3所示。如圖所示，PI33xx系列降壓穩(wěn)壓器僅需一個外部電感和兩個陶瓷電容，用于輸入和輸出濾波，以形成完整的高性能穩(wěn)壓器。無需頻率補償，參數(shù)設(shè)置或增量外部組件。 -40°至125°C的寬工作溫度范圍允許在幾乎任何環(huán)境中使用。

圖3：集成的ZVS降壓穩(wěn)壓器僅需一個外部電感和兩個陶瓷電容即可構(gòu)成一個完整的高性能負載點穩(wěn)壓器。

PI33xx降壓調(diào)節(jié)器可將8至36 V范圍內(nèi)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為1 V至16 V輸出電壓，輸出電流最高可達15 A，輸出功率可達120 W. PI3301的測量效率性能，如圖4所示，對于高降壓比，峰值性能超過93%。在這種情況下，PI3301用于在高達10 A的電流下將24 V輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V輸出。事實上，曲線顯示ZVS穩(wěn)壓器可以從中負載到高負載持續(xù)提供超過90%的輸出，并且低負荷時超過80%。與ZVS穩(wěn)壓器相比，高端硬開關(guān)常規(guī)穩(wěn)壓器的效率在相同的輸入和輸出電壓下顯著降低，在低負載時進一步顯著下降。當(dāng)輸入電壓達到36 VIN時，兩種穩(wěn)壓器之間的性能差距會大大擴大。¹傳統(tǒng)硬開關(guān)穩(wěn)壓器的效率下降可歸因于高開關(guān)損耗。傳統(tǒng)硬開關(guān)穩(wěn)壓器的退化可歸因于高開關(guān)損耗。

圖4：與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器相比，基于ZVS的PI3301表現(xiàn)出更高的效率在24 VIN和3.3 V輸出電壓下。

PI33xx系列穩(wěn)壓器的工作頻率高達1.5 MHz，通常是傳統(tǒng)高密度穩(wěn)壓器的三倍，也減小了無源元件的尺寸。此外，它減輕了外部濾波元件的負擔(dān)，從而實現(xiàn)對線路和負載瞬態(tài)的快速動態(tài)響應(yīng)。

通過使用單線電流共享交錯PI33xx降壓調(diào)節(jié)器，無需任何額外組件，即可進一步提高供電能力。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提供了更多詳細信息。

Vicor最近擴展了其產(chǎn)品組合，推出了針對12 V輸入操作優(yōu)化的PI34xx系列，在3.3 V輸出和高達15 A輸出電流時提供超過95%的峰值效率。該系列的輸入范圍為8至18 VIN，輸出范圍為1至6.5 V.此系列共有五個成員。

總之，與傳統(tǒng)的硬開關(guān)穩(wěn)壓器相比，基于ZVS的軟開關(guān)穩(wěn)壓器在更高的頻率和輸入電壓下可顯著提高效率，功率密度和瞬態(tài)響應(yīng)，電源設(shè)計工程師可以近距離觀察在拓撲和可用部分。