niPOL穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

更高的集成度、更低的EMI、更高的效率，更快的速度……這些都是電源工程師在設(shè)計(jì)一個電源系統(tǒng)時面對的目標(biāo)。但是令人撓頭的是，這些目標(biāo)彼此之間常常互為矛盾體，無法兼得，因此如果沒有新技術(shù)的加持，沒有順手的電源管理器件可用，工程師只能無奈做折中，最終交付一個可用但不那么完美的設(shè)計(jì)。

同樣的挑戰(zhàn)，也發(fā)生在非隔離負(fù)載點(diǎn)（niPOL）穩(wěn)壓器領(lǐng)域。在電源系統(tǒng)中，niPOL穩(wěn)壓器的作用是將總線電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)所需的直流電壓，應(yīng)用十分廣泛。應(yīng)用的擴(kuò)展也在推動相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，高集成度、MOSFET、封裝等方面的精進(jìn)，使得niPOL穩(wěn)壓器在小型化、高功率密度等方面不斷演進(jìn)。不過在這個過程中，一直有一個困擾電源工程師的問題，那就是穩(wěn)壓器中MOSFET的開關(guān)功耗。

niPOL穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

圖1是一個典型的同步降壓穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于其是通過MOSFET的開啟/關(guān)斷完成能量的轉(zhuǎn)換，也被稱為“硬開關(guān)”轉(zhuǎn)換器。從其工作原理我們可以分析出，其開關(guān)損耗主要是由于功率傳送系統(tǒng)的高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通特性和米勒柵極電荷，以及體二極管的傳導(dǎo)損耗。

圖1：典型的“硬開關(guān)”同步降壓穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（圖源：Vicor）

由于在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的高側(cè)MOSFET兩端有很高的電壓，在降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)-開過渡期間，高側(cè)MOSFET中會產(chǎn)生很大的功率損耗，同時也激勵了寄生電感，這將導(dǎo)致開關(guān)瞬態(tài)和高頻率振鈴。這個功率損耗與輸入電壓密切相關(guān)：輸入電壓越大，功率損耗越高；電壓轉(zhuǎn)換比越大，穩(wěn)壓器的效率也會越差。而大家知道，目前總線電壓越來越高，48V總線也越來越普遍，硬開關(guān)轉(zhuǎn)化器的這個特點(diǎn)無疑會拖整個電源系統(tǒng)效率的后腿。因此在針對一些高電壓、大轉(zhuǎn)換比的應(yīng)用時，為了滿足總能效的要求，電源工程師不得不采用多級轉(zhuǎn)換架構(gòu)，但這顯然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸，與系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)背道而馳。

這種開關(guān)損耗帶來的另一個負(fù)作用就是限制了開關(guān)頻率的提升，因?yàn)楦l繁的開關(guān)動作勢必會導(dǎo)致總功耗的增加。而眾所周知，開關(guān)頻率更高的系統(tǒng)可以選用更小的無源元件，有利于進(jìn)一步“壓縮”系統(tǒng)的尺寸，因此開關(guān)損耗對于提高系統(tǒng)功率密度、實(shí)現(xiàn)小型化也是不利的。

所以克服硬開關(guān)轉(zhuǎn)化器的功率損耗，也就成了提升niPOL穩(wěn)壓器性能的一個重要課題。而一個可行且已經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的辦法就是使用“軟開關(guān)”。雖然與傳統(tǒng)的硬開關(guān)架構(gòu)相比，軟開關(guān)需要更復(fù)雜的控制電路，但是由于其可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)時間和開關(guān)波形的協(xié)調(diào)，規(guī)避掉影響開關(guān)損耗的幾個主要因素，很值得一試。

用ZVS軟開關(guān)替代硬開關(guān)

ZVS（零電壓開關(guān)）就是這樣一個“軟開關(guān)”的范例。顧名思義，“零電壓開關(guān)”就是通過精準(zhǔn)的控制，令開關(guān)兩端的電壓為零或接近于零時，切換高側(cè)MOSFET開關(guān)狀態(tài)，這樣就消除了高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通間隔期間功率損耗和電壓轉(zhuǎn)換率之間的關(guān)聯(lián)。

從圖2看，ZVS降壓穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)的硬開關(guān)拓?fù)湎啾龋饕兓窃谳敵鲭姼猩峡缃恿艘粋€箝位開關(guān)，其主要目的是讓輸出電感器中貯存的能量能夠用于執(zhí)行零電壓開關(guān)操作。

圖2：ZVS“軟開關(guān)”同步降壓穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（圖源：Vicor）

這個過程究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？且看下面詳細(xì)講解↓↓↓

ZVS降壓拓?fù)浠居腥鬆顟B(tài)，它們被定義為Q1導(dǎo)通階段、Q2導(dǎo)通階段和箝位階段。要了解零電壓開關(guān)的工作原理，我們必須假定在諧振過渡后Q1在近乎零電壓下開啟。在D-S電壓接近零時，Q1在零電流下開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流會慢慢升高，直至由Q1導(dǎo)通時間、電感器間電壓和電感器值共同決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段，電能存儲在輸出電感器中，而電荷則提供給輸出電容器。圖3中標(biāo)黃的區(qū)域顯示的是對應(yīng)于Q1導(dǎo)通階段的等效電路及電流。在Q1導(dǎo)通階段，Q1的功耗由MOSFET導(dǎo)通電阻主導(dǎo)，開關(guān)損耗近可忽略。

接下來，在不足10ns的極短體二極管導(dǎo)通時間后，Q1會迅速關(guān)斷。該體二極管傳導(dǎo)時間所增加的功耗可以忽略。在體二極管電流換向時，Q1會發(fā)生與峰值電感器電流成比例的關(guān)斷損耗。接著Q2會開啟，而且貯存在輸出電感器中的能量會提供給負(fù)載和輸出電容器。在電感器電流下降到零時，同步MOSFET Q2會保持導(dǎo)通，直至將一些能量存儲在輸出電容器的輸出電感器中為止。這表現(xiàn)為電感器電流略變?yōu)樨?fù)。Q2導(dǎo)通階段及等效電路參見圖3的藍(lán)色陰影區(qū)。

在控制器確定電感器中貯存有足夠的能量后，同步MOSFET會關(guān)斷，箝位開關(guān)會開啟，從而會將VS節(jié)點(diǎn)鉗至VOUT。箝位開關(guān)不僅可將輸出電感器電流與輸出隔離開來，同時還能夠近乎無損耗地以電流方式循環(huán)貯存能量。在極短的箝位時間段里，輸出由輸出電容器提供。

在箝位階段結(jié)束時，箝位開關(guān)斷開。輸出電感器中存儲的能量會與Q1及Q2輸出電容的并行組合諧振，導(dǎo)致VS節(jié)點(diǎn)電壓諧振到VIN的幅值。這種振鈴會為Q1的寄生輸出電容放電，減少Q(mào)2的寄生米勒電荷并為Q2的寄生輸出電容充電。這允許Q1在VS節(jié)點(diǎn)接近VIN時，無損開啟。包括諧振過渡和等效電路在內(nèi)的鉗位工作階段顯示為綠色區(qū)域。這里需要指出的是，當(dāng)箝位開關(guān)導(dǎo)通時，電流按粉色電流環(huán)路循環(huán)；當(dāng)鉗位開關(guān)斷開時，電流則按紅色箭頭流動。

圖3：ZVS的工作原理（圖源：Vicor）

從圖4中可看到采用ZVS軟開關(guān)技術(shù)后，對于消除了轉(zhuǎn)換器高側(cè)器件開啟時的大電壓尖峰和振鈴，有非常明顯的效果。

圖4：ZVS軟開關(guān)（a）與硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器（b）架構(gòu)的波形比較（圖源：Vicor）

歸納一下采用ZVS技術(shù)可以為niPOL穩(wěn)壓器性能提升帶來的價值：

基本上消除了開啟損耗。

只要有箝位階段，在高側(cè)MOSFET開啟前就不會需要高反向恢復(fù)電流的體二極管導(dǎo)通。

高側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動不受寄生電感的影響。由于ZVS的作用以及無開啟電流沖擊，高側(cè)MOSFET開啟時消除了米勒效應(yīng)，這有助于縮小高側(cè)柵極驅(qū)動器的尺寸，并減少功耗。

低開關(guān)損耗使得轉(zhuǎn)換器可以在更高的頻率下工作。許多ZVS軟開關(guān)產(chǎn)品的速度要比硬開關(guān)產(chǎn)品快2-3倍，有利于進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積和增加功率密度。

Vicor ZVS穩(wěn)壓器系列

人們對ZVS的上述性能優(yōu)勢早有認(rèn)識，不過想要真正“吃透”這個軟開關(guān)技術(shù)，并在產(chǎn)品中成功應(yīng)用，且形成廣泛的產(chǎn)品線，這樣的實(shí)力“玩家”就不多了，Vicor公司就是其中的翹楚。

在多年前發(fā)現(xiàn)ZVS技術(shù)對于niPOL穩(wěn)壓器的價值之后，Vicor就一直在這個領(lǐng)域不輟耕耘，目前已經(jīng)形成了涵蓋12V、24V或48V輸入電壓的寬輸入范圍ZVS穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品，包括降壓穩(wěn)壓器和升降壓穩(wěn)壓器兩大類別，產(chǎn)品組合十分豐富。

1 降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器系列

Vicor的niPOL降壓開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)形成了PI33/PI34/PI35xx三個系列，可以為電源工程師提供一個高效率、高功率密度和高靈活性的解決方案。這些降壓穩(wěn)壓器在高密度系統(tǒng)級封裝（SiP）中集成了控制電路、電源半導(dǎo)體和支持組件，并可通過配置，在恒流模式下工作。

圖5：ZVS降壓穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用

（圖源：Vicor）

得益于采用了ZVS軟開關(guān)拓?fù)洌琙VS降壓穩(wěn)壓器能夠在高輸入電壓和大降壓轉(zhuǎn)化比例的情況下，提供高達(dá)98%的效率。以下分別展示了PI34xx（輸入電壓12V）、PI33xx（輸入電壓24V）、PI35xx（輸入電壓48V）系列代表產(chǎn)品的效率表現(xiàn)。

圖6：PI33/PI34/PI35xx系列降壓穩(wěn)壓器的效率表現(xiàn)

（圖源：Vicor）

同時，由于支持更高的開關(guān)頻率，ZVS降壓穩(wěn)壓器可以選擇更小的外圍濾波元件，在獲得更佳動態(tài)響應(yīng)的同時提高功率密度。

圖7：PI33xx出色的高頻特性有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化

（圖源：Vicor）

2 升降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器系列

在ZVS降壓穩(wěn)壓器成功的基礎(chǔ)上，Vicor還推出了升降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器PI37xx系列。在寬輸入范圍下，該系列的穩(wěn)壓器可提供高效率的升降壓轉(zhuǎn)換。以PI3740系列為例，其輸入電壓范圍可達(dá)8-60V，輸出為10-50V。

圖8：PI37xx系列升降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器

（圖源：Vicor）

與其他采用ZVS技術(shù)的產(chǎn)品類似，PI37xx系列穩(wěn)壓器不僅可在不影響效率的情況下，保持高達(dá)額定輸入電壓的高開關(guān)頻率，而且還支持大的DC-DC轉(zhuǎn)換比，效率可以達(dá)到98%（>800kHz FSW）。

圖9：PI37xx系列升降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的效率表現(xiàn)

（圖源：Vicor）

憑借產(chǎn)品的高集成度，PI37xx只需一個外部電感器和極少量的電容器，即可形成完整的DC-DC開關(guān)模式升降壓穩(wěn)壓器。同時，優(yōu)化的高開關(guān)頻率特性同樣可以縮小外部濾波組件的尺寸，提高功率密度，并可實(shí)現(xiàn)針對線路及負(fù)載瞬態(tài)的極快速動態(tài)響應(yīng)。

圖10：PI37xx系列升降壓負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用

（圖源：Vicor）