作者/C.R.Swartz Vicor 公司 Picor 半导体处理方案首席工程师
当时具有更高全体功率的电子体系需求更高的功率密度，这为非阻隔负载点稳压器(niPOL) 带来了很多革新。为了前进全体体系功率，规划人员挑选防止多级转化，以取得他们所需求的稳压负载点电压。这就意味着niPOL需求支撑更高的作业输入电压，供给更高的转化率。除此之外，niPOL还需求在坚持最高功率的一同，继续缩小电源处理方案的全体尺度。并且跟着产品功用的前进，niPOL的功率需求会进一步前进。
电源职业经过对niPOL进行多项技能晋级来应对这一应战。曩昔几年，职业现已看到器材封装、半导体集成和MOSFET技能的显着前进，这带来了高度集成的紧凑处理方案。虽然这些处理方案在有限的电压规模内作业杰出，但在10:1或12:1的适度降压份额下，功率与功率输出会略有下降，而在宽或超宽输入规模内、在降比挨近36:1的情况下，其功用会大幅下降。
在曩昔几年对niPOL的各种改动中，对电源链拓扑自身的改动最少。显着，咱们不只看到了电流形式操控、仿真电流形式操控和数字操控等各种操控拓扑，并且还看到了同步整流和自适应驱动器等功率级的改进。这些技能带来了继续的改进和/或额定的规划复杂性。
硬开关降压稳压器拓扑自身极大地约束了宽动态作业规模内功率密度的改进。为了缩小电源体系的尺度，您有必要缩小其重要元件的尺度。完结这一方针的最佳途径便是前进开关频率，但这有难度。在运用硬开关技能的情况下前进开关频率，就像增大漏水大坝的规划相同。这其间有3项根本性的应战：
1.硬开关：由于高电压加在主高侧开关上，瞬间流过大电流所产生的与作业频率以及作业电压相关的开关损耗是宽动态规模内作业的直接妨碍。具有更优异开关速率品质因数(FOM)的新一代 MOSFET 技能应支撑更快开关。快速开关有着其自己的问题;硬开关(乃至快速开关)往往会带来开关节点的尖峰及振铃以及有必要处理的 EMI 和栅极驱动器的牢靠性问题。这些问题在更高电压及频率下会被扩大，使得更快开关技能在需求更高电压或频率的更宽作业规模内优势大减。
2.体二极管传导：同步开关体二极管传导不利于高功率，会约束开关频率的最高水平。在高侧开关敞开前和同步 MOSFET 关断后，同步开关体二极管一般具有一些传导时刻。
3.栅极驱动损耗：在高频率下开关 MOSFET，会导致更高的栅极驱动损耗。
1仿真模型
图 1 是典型惯例降压拓扑的示意图以及相关寄生电感。这些电感或许存在于MOSFET寄生电感和/或PCB线迹自身的集总寄生电感中。为了以图形办法显现该拓扑在较高频率运用中运用时的约束因数，运用业界最佳的MOSFET(以及制造商的SPICE模型)构建仿真模型。
图 1惯例降压拓扑
假定转化器规划作业输入电压为36 V，并在8 A满负载电流下降压至12 V。仿真别离运用2 µH电感和1 µH电感在650 kHz和1.3MHz下运转。MOSFEET的导通电阻为10 mohm。4个寄生电感针对Lsh设置为300 pH，而针对其它电感值则设置为100pH。寄生值首要依据与电源体系级封装(PSiP)电源规划概念有关的可用封装技能及布局办法确认。栅极驱动器运用4 ohm源极电阻最小化响声，运用1 ohm汲极电阻为高侧驱动器完结更快的封闭，而在这两种情况下，则为低侧驱动器运用1 ohm源极及汲极电阻。
2硬开关
图2是高侧MOSFET Q1相对于VS节点电压及电流波形(Q1(绿色)、Q2(赤色)和输出电感 Lout(蓝色))的瞬态功耗的仿真成果。
图2 650 kHz仿真(500 ns/div)
仿真成果阐明敞开损耗极高，关断损耗相对较低。两者之间是MOSFET RDS(on)主导的损耗，十分低。曩昔几年，MOSFET RDS(on)得到了显着改进。在大部分当时规划中，传导损耗很低，更简略办理。在整个开关周期归纳瞬态功耗时发现，高侧MOSFEET在650kHz下的均匀功耗为1.5 W，其间 0.24 W为传导损耗、0.213 W为关断损耗、1.047 W为敞开损耗。总损耗的首要来历是Q1敞开损耗。
图3是高侧MOSFET Q1敞开(包括敞开前沿部分)前的快照。低侧MOSFET Q2的关断和Q1的敞开之间有30 ns的死区时刻。这一死区时刻的效果是保证敞开时不会产生MOSFET的穿插传导。因而，体二极管有必要有必要在死区时刻内向电感续流。Q2的体二极管这段时刻为正向偏置，电荷储存在二极管的PN结中。在二极管能阻挠反向电压之前，有必要清空该电荷。这个进程被称为反向康复。
在图3中，Q1的漏-源电压极高，挨近VIN(受布局的寄生电感影响)，一同也有极大电流流入Q2的体二极管。Q1有必要耗费Q2体二极管的反向康复电荷，一同还暴露在简直悉数输入电压下，因而峰值功率极大。高侧MOSFET源极电感Lsh对这一情况帮忙不大。敞开时，因其间的反向康复电流压降，该电感会从MOSFET带走栅极驱动。该压降处于过错的方向，使得源电压相对于栅极电压有所上升，而此刻驱动器正在尽力战胜敞开的米勒效应。这会导致在米勒区更长的时刻周期以及高侧MOSFET及驱动器更高的功耗。因而，在Q2体二极管康复并能阻挠电压之前，高侧MOSFET无法进入低电阻区。在峰值康复电流到达其最大值后的复合时刻内，Q2的体二极管一同承受着反向电流及反向电压，因而其间会有功耗。在复合完结后，体二级管中就没有功耗了。
图3 650 kHz仿真20 ns/div反向康复效果
加快栅极驱动可细微下降高侧MOSFET中的功耗。不过加快栅极驱动，Q1会以更快速度经过线性区，这会经过注入更大反向康复电流，让Q2的体二极管更快反向康复。由于寄生电感中储存有能量，这会使VS节点更快上升。图4是咱们650kHz仿真的栅极驱动以及Lsh从200 pH增大到500 pH对Q1驱动的影响。(留意：在 VS 上升的进程中，Q2 上会呈现凸块。)因Q2的米勒电容和VS节点的dv/dt问题，该凸块会Q2的栅极驱动器耦合。不难想象加快Q1驱动的影响。更快的dv/dt不只会在Q2的栅极上构成更大凸块，并且还会带来更大的响声。假如Q2是支撑低栅极阈值的低压器材，Q2或许回导通，导致周期性穿插传导。这一穿插传导或许具有破坏性，也或许没有，但肯定会下降功率。此外，寄生电感中储存的较大能量还或许会导致MOSFET上的电压过高，乃至或许需求掐断耗散。
图4 将Lsh前进至500 pH，对650 kHz仿真20 ns/div栅极驱动的影响
3更高频的作业
接下来运用较小的输出电感器，在两倍开关频率下再度运转惯例降压仿真模型，以坚持根本不变的峰值电流。对模型不做其它修正。1.3 MHz时，高侧MOSFET的总仿真损耗增大至2.73 W。
与650 kHz仿真比较，开关损耗均前进1倍。Q1中的RMS开关电流坚持不变，因而传导损耗没有产生很大的改变。
假如只考虑Q1中的损耗，开关频率前进1倍会导致至少1.2%的功率下降。假如转化份额更大，对功率的影响还会大幅增加。这些成果阐明，这并不是缩小尺度、前进功率的最好办法。要缩小电源处理方案的尺度并依然供给有意义的输出功率才能，有必要处理开关损耗问题，完结更高的开关频率。
4 ZVS 拓扑
图5是ZVS降压拓扑的原理图。从原理图上看，除了在输出电感器上跨接一个额定的钳位开关外，它与惯例降压稳压器彻底相同。增加钳位开关的意图是让输出电感器中储存的能量能够用于履行零电压开关。
图5 ZVS降压拓扑
图6 ZVS降压时序示意图
ZVS降压拓扑根本有三大状况，它们被界说为Q1导通阶段、Q2导通阶段和钳位阶段。要了解零电压开关的作业原理，您有必要假定在谐振过渡后Q1在近乎零电压下敞开。在D-S电压挨近零时，Q1在零电流下敞开。MOSFET和输出电感器中的电流会渐渐升高，直至由Q1导通时刻、电感器间电压和电感器值一同决议的峰值电流。在Q1导通阶段，电能存储在输出电感器中，而电荷则供给给输出电容器。标黄的区域显现的是对应于Q1导通阶段的等效电路及电流。在Q1导通阶段，Q1的功耗由MOSFET导通电阻主导，开关损耗近可疏忽。
接下来，在缺乏10 ns的极短体二极管导通时刻后，Q1会敏捷关断。该体二极管传导时刻所增加的功耗能够疏忽。在体二极管电流换向时，Q1会产生与峰值电感器电流成份额的关断损耗。接着Q2会敞开，并且储存在输出电感器中的能量会供给给负载和输出电容器。在电感器电流下降到零时，同步MOSFETQ2会坚持导通，直至将一些能量存储在输出电容器的输出电感器中停止。这表现为电感器电流略变为负。Q2导通阶段及等效电路会呈现在蓝色阴影区。
在操控器确认电感器中储存有满足的能量后，同步MOSFET会关断，钳位开关会敞开，然后会将VS节点钳至VOUT。钳位开关不只可将输出电感器电流与输出阻隔开来，一同还能够近乎无损耗地以电流办法循环储存的能量。在钳位时刻段里(极短)，输出由输出电容器供给。
在钳位阶段结束时，钳位开关断开。输出电感器中存储的能量会与Q1及Q2输出电容的并行组合谐振，导致VS节点电压谐振到VIN的幅值。这种振铃会为Q1的寄生输出电容放电，削减Q2的寄生米勒电荷并为Q2的寄生输出电容充电。这答应Q1在VS节点挨近VIN时，无损敞开。包括谐振过渡和等效电路在内的钳位作业阶段显现为绿色区域。这儿需求指出的是，当钳位开关导通时，电流按粉色电流环路循环;当钳位开关断开时，电流则按赤色箭头活动。
这一拓扑选用多种重要办法处理了之前所述的限制性问题：
1.只需有钳位阶段，就没有在高侧MOSFET敞开前需求高反向康复电流的体二极管导通。
2.敞开损耗根本彻底消除。
3.高侧MOSFET栅极驱动不受寄生电感Lsh的影响。由于ZVS的效果以及无敞开电流冲击，高侧MOSFET敞开时消除了米勒效应。这有助于缩小高侧栅极驱动器的尺度，并削减功耗。高侧MOSFET的敞开速度不用特别快，可完结平稳的波形和更低的噪声。
5比较仿真
图7是运用之前寄生电感值的ZVS降压拓扑的原理图。仿真依然运转相同的36 V至12 V稳压器(作业电流为8 A，频率为1.3 MHz)，以便将高侧MOSFET的功耗与之前规划进行比较。ZVS降压运用230 nH电感器和与之前仿真相同的MOSFET及栅极驱动器特征。
图7带寄生电感的ZVS降压
图8是作业频率为1.3 MHz的ZVS降压拓扑的仿真成果以及相对应的高侧MOSFETQ1的瞬态功率曲线。含开关损耗及传导损耗的均匀功耗在高侧MOSFET中为1.33 W，乃至低于作业在一半开关频率下并运用较大电感器的惯例稳压器。在两种规划都以1.3 MHz仿真时，高侧MOSFET的功耗下降愈加显着，即1.37 W。从图8的功耗曲线能够看出，敞开损耗近乎为零，敞开时Q1中没有大电流尖峰。在Q1敞开前没有体二极管传导，没有反向康复效应，包括Q2体二极管中的反向康复损耗。
该图是谐振过渡ZVS功用，包括MOSFET(Q1和Q2)输出电容(与Lout有响声)的并行组合。并且还能够看到，Q1的敞开并非精确地产生在零电压方位上。运用Q1两头一些剩余的电压开关它，一般可完结最佳全体功率，然后可削减钳位阶段需求循环的存储能量的数量。需求做出归纳权衡，看是要最小化与钳位阶段有关的损耗，仍是要经过在切当零电压下开关Q1来完结省电。栅极驱动器敞开损耗还因去除ZVS功用所造成的的米勒电荷而下降。驱动器不用为Q1的G-D电容放电，因而高侧驱动器中的损耗会下降。此外，高侧驱动器不用在敞开时与寄生电感Lsh对立，由于该驱动器在敞开时供给较少的电荷，并且Lsh中没有存储动力的大电流冲击。
图8 ZVS降压仿真波形
图9是在24VIN至2.5VOUT(9.6:1)10A规划中，电流同类竞赛硬开关处理方案与ZVS降压拓扑之间的功用差异。满负载功率差异挨近6.5%(轻负载功率也有显着差异)，因而9 A丈量点上功耗降幅超越52%。
图9 ZVS 降压 9.6:1步降24 V～2.5 V(10 A 时)功用与同类竞赛处理方案的比较
6其它优势
根据ZVS降压拓扑与Picor的高功用硅芯片操控器架构的集成，开发出了PI33XX系列宽输入规模DC-DC稳压器。该DC-DC处理方案由10 mm x 14 mm SiP构成，包括只需外加一颗款输出电感器和几颗陶瓷电容器便能构成完好电源体系的一切电路。高开关频率答应运用极小的电感器。整个处理方案不只尺度(25 mm x 21.5 mm)小于同类竞赛集成处理方案，一同还能以98%的峰值功率供给高达120 W的输出功率。PI33XX的最短导通时刻是20 ns，从36 V输入向10 A负载点供给1 V输出，不只功率超越86%，并且在从1 V到15 V的整个输出电压规模内，输出电流没有任何削减。
高档硅芯片与ZVS降压拓扑的完美结合，除带来宽输入规模和高功率外，还可带来一些其它优势。由于ZVS拓扑对操控增益斜率为-1、相移为90度的输出传输功用具有与生俱来的稳定性，在高频率开关的帮忙下，可完结带宽极大的反应环路。PI33XX无需外部补偿(虽然能够增加一些)。闭环穿插频率一般为100 kHz，有55度相位裕度和20 dB的增益裕度。高闭环增益和小输出电感器答应闭环输出阻抗在宽频率规模内为低。这会导致极快的瞬态呼应，在运用适度陶瓷输出电容值时康复时刻在20至30 µs之间，不需求其它大型存储%&&&&&%器辅佐。极为精确的输入前馈办法有助于差错扩大器输出电压精确反映输出负载需求。这有助于履行极为简略的电流同享办法，经过并联Si增大输出功率。只需独自衔接每个PI33XX差错扩大器，便可精确并联均流。假如用户期望各个单元互相追寻、一同同步，也可进行更多衔接。
运用交织办法并联多达6个相似模型，既可同步PI33XX。PI33XX具有近乎抱负的同步整流器驱动，答应高侧MOSFET关断与同步MOSFET敞开间不到10纳秒的体二极管换向时刻。这有助于下降高侧MOSFET的关断损耗和体二极管的传导损耗。除了高负载下的高功率优势外，PI33XX还运用极高功率的偏置体系和脉冲跳频形式，可完结优异的轻负载功率。见图9。
7灵活性
运用零电压开关的高功用硅芯片操控器架构能运用于升压拓扑及升降压拓扑等其它拓扑，只需重新排列电源开关，就能完结相似的优势。事实上，这将在高功率及更高输入电压下完结电源转化的恣意组合，一同还可供给低开关损耗、高功率吞吐量并缩小处理方案尺度。
8定论
ZVS降压拓扑可作为一种在不下降功率吞吐量的情况下缩小所需尺度的办法。所介绍的名为PI33XX的新产品，不只运用Picor高功用硅芯片操控器架构，并且还包括在高功率吞吐量和高功率下完结宽输入规模(8～36 V)至各项输出(1、2.5、3.3、5、12和15V等)所需的各种特性。别的，相同的高功用硅芯片操控器架构也能用于一般运用升压或升降压拓扑完结的硬开关运用，这可显着前进功率吞吐量和功率密度。
