降低器件損耗的零電壓開降壓轉(zhuǎn)換器

已知使用諧振拓?fù)浣Y(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(jìn)的半導(dǎo)體集成，低導(dǎo)通電阻MOSFET和先進(jìn)的封裝，但它們的設(shè)計(jì)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(dòng)電路內(nèi)的米勒電荷耗散而表現(xiàn)出更高的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。同樣，由于反向恢復(fù)和長(zhǎng)導(dǎo)通，高端MOSFET的體二極管導(dǎo)通會(huì)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器性能的任何顯著提升。此外，硬開關(guān)拓?fù)湫枰鄬?duì)較大的輸出電感，這會(huì)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(gè)更好的選擇是使用零電壓開關(guān)(ZVS)等諧振拓?fù)?，這樣可以在更高頻率和更高電壓下工作，而不會(huì)犧牲效率和尺寸。基于ZVS的穩(wěn)壓器也稱為軟開關(guān)穩(wěn)壓器。 ZVS降壓穩(wěn)壓器拓?fù)涞囊恍┲饕獌?yōu)勢(shì)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(shí)間可忽略不計(jì)，高輸入電壓保持高頻工作，內(nèi)部補(bǔ)償簡(jiǎn)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(shí)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(jì)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(dá)到高電平MOSFET的零點(diǎn)或接近零點(diǎn)，不產(chǎn)生高電流尖峰或損壞振鈴。應(yīng)用于Q1的ZVS動(dòng)作在開啟時(shí)消除了其米勒效應(yīng)，允許使用更小的驅(qū)動(dòng)器和更低的柵極驅(qū)動(dòng)。

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(shí)現(xiàn)這種巧妙的拓?fù)浣Y(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(shí)和經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建基于諧振拓?fù)涞碾娫?，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(xiàng)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(fù)載點(diǎn)(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?fù)渑c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(shí)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(shì)，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(diǎn)包括快速瞬態(tài)響應(yīng)，使用單線電流共享交錯(cuò)穩(wěn)壓器的能力，遙測(cè)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(jí)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(gè)外部電感和兩個(gè)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(bǔ)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(gè)外部電感和兩個(gè)陶瓷電容即可構(gòu)成一個(gè)完整的高性能負(fù)載點(diǎn)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(dá)15 A，輸出功率可達(dá)120 W. PI3301的測(cè)量效率性能，如圖4所示，對(duì)于高降壓比，峰值性能超過93%。在這種情況下，PI3301用于在高達(dá)10 A的電流下將24 V輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V輸出。事實(shí)上，曲線顯示ZVS穩(wěn)壓器可以從中負(fù)載到高負(fù)載持續(xù)提供超過90%的輸出，并且低負(fù)荷時(shí)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(fù)載時(shí)進(jìn)一步顯著下降。當(dāng)輸入電壓達(dá)到36 VIN時(shí)，兩種穩(wěn)壓器之間的性能差距會(huì)大大擴(kuò)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(dá)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(fù)擔(dān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路和負(fù)載瞬態(tài)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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

Vicor最近擴(kuò)展了其產(chǎn)品組合，推出了針對(duì)12 V輸入操作優(yōu)化的PI34xx系列，在3.3 V輸出和高達(dá)15 A輸出電流時(shí)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(gè)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(jì)工程師可以近距離觀察在拓?fù)浜涂捎貌糠帧?/p>