新型降壓穩(wěn)壓器拓撲在寬輸入、高用電量負載中的應(yīng)用

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

　　概述

　　在當今電子系統(tǒng)應(yīng)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(zhuǎn)換比，但是在高輸入電壓或更高頻率的寬工作范圍時，傳統(tǒng)的硬開關(guān)會帶來相當大的損耗。對于硬開關(guān)拓撲而言，它面臨著3個重大挑戰(zhàn)：

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

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

　　3. 柵極驅(qū)動損耗：在高頻率開關(guān)MOSFET時將帶來更高的柵極驅(qū)動損耗。

　　本文介紹一種“零電壓開關(guān)(ZVS)降壓”的新型降壓穩(wěn)壓器拓撲，并說明如何把這些拓撲集成在Picor Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品內(nèi)。新型零電壓開關(guān)(ZVS)降壓穩(wěn)壓器的仿真模型，說明這種新型的零電壓開關(guān)拓撲是如何通過減少上述3個挑戰(zhàn)帶來的影響，來實現(xiàn)更高的功率密度、效率、功率輸出的能力以及寬輸入及轉(zhuǎn)換比。在介紹工作原理的同時，還將介紹零電壓開關(guān)(ZVS) 降壓拓撲帶來的諸多益處。

　　傳統(tǒng)仿真模型

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

 

　　假定這個轉(zhuǎn)換器設(shè)計將36V輸入電壓降低至12V，滿載電流是 8A。此仿真模型工作在650kHz時采用1個2mH電感，工作在1.3MHz時采用1個1mH電感。MOSFET導(dǎo)通電阻是10 mΩ。對于4個寄生電感，源端寄生電感Lshs設(shè)定為 300 pH;其他電感值設(shè)定為100 pH。這樣做是基于與電源系統(tǒng)級封裝(PSiP)電源設(shè)計概念相關(guān)的封裝及布局技術(shù)。高電平端柵極驅(qū)動器使用4Ω源電阻來實現(xiàn)最小振鈴，并使用1Ω灌電阻來加快關(guān)閉速度;對于低電平端驅(qū)動器，在兩種情況下均使用1Ω源電阻和灌電阻。