零电压开关技术提升降压稳压器性能

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,没有谁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,高密度稳压器便顺着最新IC集成技术、MOSFET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。同时,需要更高的Vin/Vout转换比例及更高的开关频率。如果不从根本上解决这些问题,那么只能期望些微的性能提升。
    Picor引入一个高性能、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。Picor的PI33xx采用零电压开关(ZVS)拓扑允许在更高频率和更高输入电压进行操作,而且不会牺牲效率。同传统稳压器采用的硬开关拓扑相比,零电压开关(ZVS)拓扑是一种软开关拓扑。同传统稳压器相比,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(ZVS)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(ZVS)拓扑,这是业界首次设计创新。

不妨对传统降压拓扑与采用零电压开关(ZVS)拓扑的PI33xx进行直接对比。首先,常用的方法是在完整开关周期起始处,高端MOSFET得到指令而导通。在导通之前,有电流流经输出电感器和同步MOSFET。为了避免两个MOSFET的交叉传导,在关闭同步MOSFET和开启高端MOSFET之间存在一个微妙的平衡。
    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。针对Q1的零电压开关(ZVS)动作,在Q1导通时可以消除米勒效应,允许在导通时使用更小的驱动器或更低的栅极驱动。
    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(ZVS)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,另外,导通时间最短20ns,支持36:1的高比率转换,这是传统硬开关高密度稳压器所难达到的。
    图1给出PI3301(PI33xx系列产品的3.3V版本)与业界常用高密度稳压器对比的效率性能。PI3301采用零电压开关(ZVS)或软开关拓扑,而竞争产品则采用硬开关拓扑,图1中给出输入电压分别是12V、24V和36V时的效率性能。从图1中的对比可以看出,硬开关稳压器在较高输入电压时效率退化。这个效率退化是硬开关拓扑中开关损耗带来的直接结果。

    PI33xx系列产品工作频率在1.5MHz以上,是传统高密度稳压器的2~3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。
    Picor Cool-Power ZVS降压稳压器非常容易使用。只需输入/输出电容,和一个输出电感就是所有需要外加的元件,无需外部参数设置。引脚对引脚兼容,可很容易的转换更高或更低电流的元件,只需以“拿掉-贴上”的方式布线。如果另有其他功能,增加不同应用的灵活性。

 


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