把零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用在降壓穩(wěn)壓器上

對(duì)降壓穩(wěn)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(shè)計(jì)人員也不愿意分配額外的空間給功率設(shè)計(jì)方案。此外，由于單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)不斷推陳出新, 電路板設(shè)計(jì)方案也不斷升級(jí),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(wěn)壓器便隨著最新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。縱使這樣, 這些穩(wěn)壓器還是無(wú)法滿(mǎn)足新系統(tǒng)的應(yīng)用要求。尤其是系統(tǒng)內(nèi)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(wěn)壓器MOSFET的內(nèi)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(dǎo)體長(zhǎng)期專(zhuān)注在提供高性能的、基于硅的電源轉(zhuǎn)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(xiàn)今, 大多數(shù)非隔離降壓穩(wěn)壓器拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)損耗都很大。原因是在導(dǎo)通和關(guān)斷期間, MOSFET同時(shí)承受高電流和高電壓應(yīng)力。當(dāng)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(dá)到的最高工作頻率、效率和功率密度。二是，柵極驅(qū)動(dòng)損耗。由于柵極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的米勒電荷的功耗較高, 導(dǎo)至硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動(dòng)損耗也較高。三是，本體二極管傳導(dǎo)。當(dāng)高電平端MOSFET導(dǎo)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(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，反向恢復(fù)損耗和本體二極管傳導(dǎo)損耗便愈高。本體二極管傳導(dǎo)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(wěn)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(zhǎng)，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(wěn)壓器密度受到影響。眾多電子設(shè)計(jì)師希望在負(fù)載點(diǎn)使用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)。

針對(duì)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(wěn)壓器平臺(tái), 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(wěn)壓器拓樸圖(a)與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器拓樸(b)比較

PI33XX產(chǎn)品特性

Picor PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品是Picor剛剛推出的新產(chǎn)品，Picor首席應(yīng)用工程師Chris Swartz介紹說(shuō)，該降壓穩(wěn)壓器可提供最大的功率密度和高效負(fù)載點(diǎn)DC-DC穩(wěn)壓。這款獨(dú)特的高密度降壓穩(wěn)壓器，在一個(gè)表面安裝封裝內(nèi)(10mm×14mm×2.56mm LGA封裝系統(tǒng)(SIP))高度集成了高性能零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)湟约肮β屎洼o助組件。增加了點(diǎn)負(fù)載性能，能提供業(yè)界一流的效率，峰值效率高達(dá)98%?？蔀榘寮?jí)設(shè)計(jì)師提供最高的功率密度及設(shè)計(jì)靈活性。

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

Chris Swartz說(shuō)，同傳統(tǒng)穩(wěn)壓器采用的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)湎啾?，零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)涫且环N軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，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?fù)渫ǔＪ浅删透咝阅芨綦x電源的因素。在PI33xx內(nèi)部集成零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)?，?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?fù)? 允許穩(wěn)壓器在高頻工作, 減少傳統(tǒng)使用硬開(kāi)關(guān)拓?fù)涞慕祲悍€(wěn)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(xiàn)了線(xiàn)及負(fù)載瞬變的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 PI33XX系列在額定輸入的所有電壓范圍內(nèi)維持高開(kāi)關(guān)頻率工作，且沒(méi)有降低效率，最小導(dǎo)通時(shí)間是20ns支持輸入電壓高達(dá)36V時(shí)的最大降壓轉(zhuǎn)換。

PI33XX之所以能夠解決傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的高導(dǎo)通損耗問(wèn)題，是因?yàn)樵诟叨薓OSFET導(dǎo)通之前，避免高電流體二極管傳導(dǎo);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(tǒng)高密度穩(wěn)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(duì)輸入瞬態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)做出快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)改進(jìn)開(kāi)關(guān)拓?fù)洌軌蛞愿叩男屎透〉某叽鐚?shí)現(xiàn)對(duì)更高電壓的穩(wěn)壓。通過(guò)PI33XX中的零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)? Picor為工程師提供了一款高性能降壓穩(wěn)壓器，可以將36Vin直接調(diào)節(jié)至3.3V，這是傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)高密度穩(wěn)壓器所望塵莫及的。

PI33XX系列降壓穩(wěn)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(wěn)壓器。無(wú)需頻率補(bǔ)償、參數(shù)設(shè)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(shù)環(huán)境下使用。

對(duì)于設(shè)計(jì)師面臨的復(fù)雜配電方案方面的挑戰(zhàn)，Picor PI33XX Cool-Power ZVS降壓穩(wěn)壓器是這個(gè)類(lèi)型中唯一的降壓穩(wěn)壓器，它提供一個(gè)可選的I2C擴(kuò)展故障遙測(cè)能力，允許報(bào)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(wěn)壓器系列允許設(shè)計(jì)師在板上實(shí)現(xiàn)高性能的點(diǎn)負(fù)載點(diǎn)電源;負(fù)載點(diǎn)降壓穩(wěn)壓器內(nèi)集成ZVS軟開(kāi)關(guān)拓?fù)? 創(chuàng)建了行業(yè)新的性能標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合Vicor各種功率傳輸至板上的方案, 我們正在實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電鏈, 從輸入直至點(diǎn)負(fù)載的最佳的效率。”