基于PCB面积把零电压开关技术应用在降压稳压器上

【电源网】对降压稳压器的关键要求通常是尺寸和效率。由于印制电路板面积弥足珍贵，哪个设计人员也不愿意分配额外的空间给功率设计方案。此外，由于单片机和数字信号处理器(DSP)不断推陈出新, 电路板设计方案也不断升级,尽管功率有所增加，但产品尺寸却不能增大了。因此，高密度稳压器便随着最新IC集成度的提高、MOSFET技术的提升及封装工艺的改良而不断发展。纵使这样, 这些稳压器还是无法满足新系统的应用要求。尤其是系统内部的功率密度正日益提高。其主要原因是开关损耗阻碍稳压器MOSFET的内部性能。如果不从根本上解决这些损耗问题，那么只能期望一些微小的性能提升。

为何需要零电压开关

作为Vicor的子公司，Picor半导体长期专注在提供高性能的、基于硅的电源转换与电源管理解决方案。Picor市场营销及业务发展副总裁Robert Gendron分析说，造成开关损耗的主要原因在于：一是，硬开关。现今, 大多数非隔离降压稳压器拓扑的开关损耗都很大。原因是在导通和关断期间, MOSFET同时承受高电流和高电压应力。当开关频率与输入电压增高时，这些损耗同时增大, 限制了其可以达到的最高工作频率、效率和功率密度。二是，栅极驱动损耗。由于栅极驱动电路内的米勒电荷的功耗较高, 导至硬开关拓扑结构的栅极驱动损耗也较高。三是，本体二极管传导。当高电平端MOSFET导通和关闭时, 高脉动电流通过低电平端MOSFET的本体二极管。本体二极管导通的时间越长，反向恢复损耗和本体二极管传导损耗便愈高。本体二极管传导也会造成破坏性的过冲和振铃。开关损耗还限制了稳压器的开关频率，开关频率越高，MOSFET开关时间就越长，损耗就越大。如果开关不能在高频率切换，将限制更小型无源组件(电阻、电容和电感)的使用，从而使稳压器密度受到影响。众多电子设计师希望在负载点使用零电压开关 (ZVS)。

针对上述问题，Picor引入了一个高性能、高度集成、软开关降压稳压器平台, 可高频工作，大幅度地降低开关损耗，提高效率。

PI33XX Cool-Power ZVS降压稳压器拓朴图(a)与传统降压稳压器拓朴(b)比较

PI33XX产品特性

Picor PI33XX Cool-Power ZVS降压稳压器系列产品是Picor刚刚推出的新产品，Picor首席应用工程师Chris Swartz介绍说，该降压稳压器可提供最大的功率密度和高效负载点DC-DC稳压。这款独特的高密度降压稳压器，在一个表面安装封装内(10mm×14mm×2.56mm LGA封装系统(SIP))高度集成了高性能零电压开关拓扑以及功率和辅助组件。增加了点负载性能，能提供业界一流的效率，峰值效率高达98%。可为板级设计师提供最高的功率密度及设计灵活性。

PI33XX 降压稳压器可将8V~36V的输入电压转换为1V~16V的输出电压，输出电流高达10A，输出功率高达120W。无需任何额外的元件，采用单线均流方式，交错使用6个PI33XX降压稳压器，可进一步增加输出功率。

Chris Swartz说，同传统稳压器采用的硬开关拓扑相比，零电压开关拓扑是一种软开关拓扑，PI33xx的软开关技术具有更高的效率以及更高的密度性能。零电压开关拓扑通常是成就高性能隔离电源的因素。在PI33xx内部集成零电压开关拓扑，实乃业界首创。

PI33XX工作原理

PI33XX系列产品使用零电流开关拓扑, 允许稳压器在高频工作, 减少传统使用硬开关拓扑的降压稳压器的开关损耗, 把效率提到最高。PI33XX系列的高开关频率也降低了外部滤波元件的尺寸，提高了功率密度，同时实现了线及负载瞬变的快速动态响应。 PI33XX系列在额定输入的所有电压范围内维持高开关频率工作，且没有降低效率，最小导通时间是20ns支持输入电压高达36V时的最大降压转换。

PI33XX之所以能够解决传统稳压器的高导通损耗问题，是因为在高端MOSFET导通之前，避免高电流体二极管传导;使高端MOSFET的漏极-源极电压为零或接近零，而且不产生高电流尖脉冲或有破坏性的振铃。

PI33XX系列产品工作频率在1.5MHz以上，是传统高密度稳压器的2倍~3倍。在更高的频率工作不仅降低无源组件的尺寸，而且降低外部滤波组件的尺寸，并允许对输入瞬态和负载瞬态做出快速动态响应。通过改进开关拓扑，能够以更高的效率和更小的尺寸实现对更高电压的稳压。通过PI33XX中的零电压开关拓扑, Picor为工程师提供了一款高性能降压稳压器，可以将36Vin直接调节至3.3V，这是传统硬开关高密度稳压器所望尘莫及的。

PI33XX系列降压稳压器只需一个外部电感和最小的陶瓷电容作为输入和输出的滤波，便可以组一个完整的高性能稳压器。无需频率补偿、参数设置或增加外部元件。产品可工作在较宽的-40?C~125?C温度范围，允许在绝大多数环境下使用。

对于设计师面临的复杂配电方案方面的挑战，Picor PI33XX Cool-Power ZVS降压稳压器是这个类型中唯一的降压稳压器，它提供一个可选的I2C扩展故障遥测能力，允许报告6个不同类型的故障。其他器件可编程的I2C功能包括裕度、使能引脚的逻辑极性和相位延迟。器件编程很容易通过Cool-Power开发工具进行。

Robert Gendron 说：“PicorPI33XX Cool-Power ZVS降压稳压器系列允许设计师在板上实现高性能的点负载点电源;负载点降压稳压器内集成ZVS软开关拓扑, 创建了行业新的性能标准。结合Vicor各种功率传输至板上的方案, 我们正在实现整个配电链, 从输入直至点负载的最佳的效率。”