新型降壓穩壓器拓撲在寬輸入、高用電量負載中的應用

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

關鍵詞：降壓穩壓器；功率密度；零電壓；開關損耗

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.011

概述

在當今電子系統應用中，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換比，但是在高輸入電壓或更高頻率的寬工作范圍時，傳統的硬開關會帶來相當大的損耗。對于硬開關拓撲而言，它面臨著3個重大挑戰：

1. 硬開關：在高電平端主開關上有高電壓時，同時流過大電流將產生與頻率和電壓相關的開關損耗，它是寬動態范圍下工作的直接障礙。具有更好的開關速度優點的下一代MOSFET技術應可允許更快的開關。更快的開關切換也具有自身的問題：硬開關(即使是更快的開關)通常帶來開關節點上的尖峰和振鈴，而且還必須克服電磁干擾(EMI)和柵極驅動損毀。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，高速開關不具備什么吸引力。

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

3. 柵極驅動損耗：在高頻率開關MOSFET時將帶來更高的柵極驅動損耗。

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

傳統仿真模型

圖1給出了典型的傳統降壓穩壓器拓撲圖以及相關的寄生電感，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。

假定這個轉換器設計將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導通電阻是10 mΩ。對于4個寄生電感，源端寄生電感Lshs設定為 300 pH；其他電感值設定為100 pH。這樣做是基于與電源系統級封裝(PSiP)電源設計概念相關的封裝及布局技術。高電平端柵極驅動器使用4Ω源電阻來實現最小振鈴，并使用1Ω灌電阻來加快關閉速度；對于低電平端驅動器，在兩種情況下均使用1Ω源電阻和灌電阻。

圖2給出高端MOSFET Q1中瞬時功耗的仿真結果，同時還給出對應的VS節點電壓波形(紅色)以及Q1電流波形 (綠色)、Q2 (黃色)和輸出電感Lout (藍色)的電流波形。

仿真結果表明， MOSFET在啟動時損耗很大，在整個損耗中，Q1啟動損耗最大。

零電壓開關(ZVS)拓撲

圖3給出零電壓開關(ZVS)降壓拓撲示意圖。如圖3所示，同傳統降壓轉換器相比，只是增加了一個與輸出電感并聯的鉗位開關。增加鉗位開關的目的是利用輸出電感中存儲的能量實現零電壓開關。

零電壓開關(ZVS)降壓拓撲包括3個主要狀態，它們是Q1導通階段、 Q2導通階段以及鉗位階段。為了理解零電壓開關(ZVS)如何工作，需假設Q1在諧振轉換后幾乎是零電壓開通。當漏-源極電壓接近為零時，Q1以零電流開通。MOSFET和輸出電感上的電流上升到峰值電流，這取決于Q1的導通時間、電感壓降以及電感值。在Q1導通階段，能量存儲在輸出電感中，并向輸出電容充電。圖4 中的黃色陰影區域給出Q1導通階段的等效電路和電流流向。在Q1導通期間，Q1中的功耗由MOSFET導通電阻決定，開關損耗可以忽略不計。

接著Q1快速關斷，隨后是小于10 ns的體二極管導通時間。這個體二極管的導通時間增加的功耗可以忽略不計。在體二極管電流交接期間，Q1確實產生了關斷損耗。這方面跟傳統的降壓器技術不無兩樣。再接著Q2導通，存儲在輸出電感上的的能量被傳輸至負載和輸出電容上。當電感電流為零時，同步MOSFET Q2保持足夠長的導通時間以便從輸出電容上給輸出電感儲能。從電感電流變為小許負值就可以看出這一點。圖4 中的藍色區域描寫了Q2的導通階段以及等效電路。

一旦控制器確定電感中存儲了足夠的能量，則立即關閉同步MOSFET，同時開啟鉗位開關，將VS節點鉗位至Vout。鉗位開關將電感與輸入輸出隔離，同時以幾乎無損的方式將存儲的能量轉換為電流。在鉗位階段時間很短，負載電流由輸出電容提供。

當鉗位階段結束時，鉗位開關斷開。在輸出電感中存儲的能量與Q1以及Q2輸出電容的并聯組合發生諧振，使得VS節點向Vin靠近。這個振鈴引起Q1輸出電容放電，減少Q1的米勒電荷并對Q2輸出電容充電。這樣，當VS節點幾乎等于Vin時，Q1以無損方式開啟。圖4 中綠色陰影區域給出鉗位階段的運行，包括諧振轉換以及等效電路。在這里，需要指出的是，當鉗位開關開啟時，電流將沿著圖4中的粉色環路流動；當鉗位開關關閉時，電流將按照圖4中的紅色箭頭所示方向流動。

這個拓撲通過以下幾種重要方式，解決了先前模型的局限性：

1. 只要處于鉗位階段，在高端MOSFET開通之前，就不存在需要較高反向恢復電流的體二極管導通；

2. 開通損耗幾乎完全消除；

3. 高端MOSFET的柵極驅動不受源端寄生電感Lshs的影響，而且由于開關動作是在零電壓(ZVS)的瞬間， 沒有電流作用，避免了高端MOSFET開啟時的米勒效應。這使得高端柵極驅動器尺寸更小，功耗更低。高端MOSFET的開啟不必特別迅速，使得波形更加平滑，而且噪聲更低。

比較仿真

圖5給出零電壓開關(ZVS)降壓拓撲的示意圖，圖中使用了以前的寄生電感值。該仿真使用同樣的36V~12V轉換器，工作頻率為1.3MHz，工作電流為8A，并對高端MOSFET損耗與以前設計的損耗進行了對比。零電壓開關(ZVS)降壓使用1個 230nH的電感，其MOSFET以及柵極驅動器特性與前面的仿真相同。

圖6給出零電壓開關(ZVS)降壓拓撲在1.3MHz運行的仿真結果以及相應的高端MOSFET(Q1)瞬時功率曲線。在高端MOSFET Q1中的平均功耗(包括開關損耗以及導通損耗)為1.33W，甚至比在650kHz開關頻率和采用更大電感的傳統轉換器的功耗還低。通過對兩個設計仿真在1.3MHz開關頻率的運行結果進行對比，可以發現高端 MOSFET節省的功耗非常多，達到1.37W。從圖6中的功率曲線可以看出，啟動損耗近乎為零，Q1導通時中沒有很大的電流尖峰。在Q1導通之前沒有體二極管導通，也沒有反向恢復效應，包括Q2體二極管中的反向恢復損耗。

圖6中還給出零電壓開關(ZVS)動作的諧振轉換，兩個MOSFET (Q1及Q2)輸出電容的并聯組合與Lout組成振蕩器。從圖中還可以看出，Q1的導通并沒有恰好發生在零電壓時刻。一般通過開關帶一定殘余電壓的Q1來減少鉗位階段線路所需的一定的存儲電荷的方法來獲得最佳的整體效率。這是使鉗位階段損耗最小和將Q1在精確的零電壓處開關以節能之間的權衡。柵極驅動的開通損耗還得益于米勒電荷的消除，這是零電壓開關(ZVS)動作帶來的結果。驅動器不必對Q1的G-D電容進行放電，因此高端驅動器中的損耗將下降。此外，高端驅動器也不必應對導通期間源端寄生電感(Lshs)的影響，因為導通期間驅動器釋放較少的電荷，而且也沒有大電流在Lshs存儲能量。

圖7給出零電壓開關(ZVS)降壓拓撲與當前硬開關解決方案競爭產品之間的性能差異，該拓撲采取24 Vin-2.5 Vout (9.6:1) 10A 設計。二者的滿載效率差異接近6.5%(其輕負載效率差異也非常明顯)，從圖中可以看出，在9A測量點的功率損耗改進超過52%。

其他益處

通過將零電壓開關(ZVS)降壓拓撲與Picor高性能硅控制器體系結構進行集成，制成PI33XX系列寬輸入范圍DC-DC穩壓器。這個DC-DC解決方案包含在1個 10 mm×14 mm SiP(系統級封裝)，其中包括組成完整電源所需的所有電路，除了額外的輸出電感和幾個陶瓷電容器外。高開關頻率允許電感非常小，整個解決方案的尺寸(25 mm×21.5 mm)也比競爭的集成解決方案小，而且輸出功率高達120W，峰值效率達到98%。PI33XX轉換器最短導通時間為20ns，可以將36V輸入電壓轉換為1V輸出電壓，輸出電流高達10A，效率超過86%，而且在不久將來會有更大輸出電流的器件。

先進硅技術與零電壓開關(ZVS)降壓拓撲的結合，除了寬輸入范圍和高效率，還帶來了額外益處。由于零電壓開關(ZVS)拓撲具有固有的穩定性，其控制至輸出傳遞函數增益為-1，相移為90°，并借助高開關頻率使極寬帶寬反饋環路成為可能。PI33XX無需任何外部補償元件(盡管也可以加一些)。閉環穿越頻率通常是100 kHz，相位裕度為55°，增益裕量是 20dB。高閉環增益與小型輸出電感，使得在較寬頻率范圍的閉環輸出阻抗較低。這將導致極快的瞬態響應，恢復時間范圍是20~30ms，而且只需使用適中的輸出電容。

元件采用非常精確的輸入前饋方法，允許誤差放大器輸出電壓對輸出負載需求做出精確的響應。讓元件可用極其簡單的方法把多個SiP并聯起來，提高輸出功率，并且實施均流。只需單線并聯每個PI33XX的誤差放大器，即可精確地共享負載。如果用戶希望各單元彼此追蹤并實現整體同步，還可以進行其他連接。 通過交錯并聯的方法，最多可以實現6個PI33XX相同型號穩壓器的同步。PI33XX擁有近乎完美的同步整流驅動器，在高端MOSFET關閉和同步MOSFET導通之間，只有單位數字納秒的體二極管交接時間。這有助于降低高端MOSFET的關斷損耗以及體二極管導通損耗 。除了在重載時效率很高，PI33XX使用極高效的偏置系統和脈沖跳略模式，又實現了出眾的輕負載效率。參見圖7。

靈活性

采用零電壓開關技術的Picor高性能硅控制器體系結構，還可以應用于其他拓撲，如升壓拓撲以及降壓-升壓拓撲，而且只需重新排列開關器，便可達到理想的效果。實際上，這將以高效方式實現功率轉換的任意組合，即使輸入電壓較高也沒有問題，不僅降低了開關損耗，也形成了高功率密度電源，而且縮小了解決方案體積。

結語

本文介紹并且論述了迄今為止在高輸入電壓和高開關頻率情況下使用傳統降壓拓撲面臨的艱難挑戰。高頻和高輸入電壓使用降壓穩壓器是為了縮小整個電源系統解決方案的尺寸，從而有可能利用它取代兩個轉換級，以及能夠在高頻及寬輸入范圍工作。可以看出，為了在更高的開關頻率工作，必須降低或消除高端MOSFET的啟動損耗。

零電壓開關(ZVS)降壓拓撲是作為實現所需的尺寸縮小而又不影響功率容量的方法。Picor公司推出的新產品——PI33XX降壓穩壓器，采用Picor高性能硅控制器體系結構，包含一些的必須的特性，以允許8V~36V寬范圍的輸入電壓，和具有高功率密度和效率的不同輸出，比如1V，2.5V，3.3V，5V，12V以及15V。最后也說明，同樣的高性能硅控制器體系結構還可以用于解決那些通常采用升壓或降壓-升壓拓撲的硬開關應用，而且可以大幅改進功率容量和密度。