软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?

更高的集成度、更低的EMI、更高的效率,更快的速度……这些都是电源工程师在设计一个电源系统时面对的目标。但是令人挠头的是,这些目标彼此之间常常互为矛盾体,无法兼得,因此如果没有新技术的加持,没有顺手的电源管理器件可用,工程师只能无奈做折中,最终交付一个可用但不那么完美的设计。

同样的挑战,也发生在非隔离负载点(niPOL)稳压器领域。在电源系统中,niPOL稳压器的作用是将总线电压转换为负载点所需的直流电压,应用十分广泛。应用的扩展也在推动相关技术的进步,高集成度、MOSFET、封装等方面的精进,使得niPOL稳压器在小型化、高功率密度等方面不断演进。不过在这个过程中,一直有一个困扰电源工程师的问题,那就是稳压器中MOSFET的开关功耗。

niPOL稳压器的设计挑战

图1是一个典型的同步降压稳压器的拓扑结构,由于其是通过MOSFET的开启/关断完成能量的转换,也被称为“硬开关”转换器。从其工作原理我们可以分析出,其开关损耗主要是由于功率传送系统的高侧MOSFET的导通特性和米勒栅极电荷,以及体二极管的传导损耗。

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图1:典型的“硬开关”同步降压稳压器的拓扑结构
(图源:Vicor)

由于在硬开关转换器的高侧MOSFET两端有很高的电压,在降压转换器关-开过渡期间,高侧MOSFET中会产生很大的功率损耗,同时也激励了寄生电感,这将导致开关瞬态和高频率振铃。这个功率损耗与输入电压密切相关:输入电压越大,功率损耗越高;电压转换比越大,稳压器的效率也会越差。而大家知道,目前总线电压越来越高,48V总线也越来越普遍,硬开关转化器的这个特点无疑会拖整个电源系统效率的后腿。因此在针对一些高电压、大转换比的应用时,为了满足总能效的要求,电源工程师不得不采用多级转换架构,但这显然会增加系统的复杂性和尺寸,与系统优化的目标背道而驰。

这种开关损耗带来的另一个负作用就是限制了开关频率的提升,因为更频繁的开关动作势必会导致总功耗的增加。而众所周知,开关频率更高的系统可以选用更小的无源元件,有利于进一步“压缩”系统的尺寸,因此开关损耗对于提高系统功率密度、实现小型化也是不利的。

所以克服硬开关转化器的功率损耗,也就成了提升niPOL稳压器性能的一个重要课题。而一个可行且已经过实践验证的办法就是使用“软开关”。虽然与传统的硬开关架构相比,软开关需要更复杂的控制电路,但是由于其可以实现开关时间和开关波形的协调,规避掉影响开关损耗的几个主要因素,很值得一试。

用ZVS软开关替代硬开关

ZVS(零电压开关)就是这样一个“软开关”的范例。顾名思义,“零电压开关”就是通过精准的控制,令开关两端的电压为零或接近于零时,切换高侧MOSFET开关状态,这样就消除了高侧MOSFET的导通间隔期间功率损耗和电压转换率之间的关联。

从图2看,ZVS降压稳压器与传统的硬开关拓扑相比,主要变化是在输出电感上跨接了一个箝位开关,其主要目的是让输出电感器中贮存的能量能够用于执行零电压开关操作。

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图2:ZVS“软开关”同步降压稳压器的拓扑结构
(图源:Vicor)

这个过程究竟是如何实现的?且看下面详细讲解↓↓↓

ZVS降压拓扑基本有三大状态,它们被定义为Q1导通阶段、Q2导通阶段和箝位阶段。要了解零电压开关的工作原理,我们必须假定在谐振过渡后Q1在近乎零电压下开启。在D-S电压接近零时,Q1在零电流下开启。MOSFET和输出电感器中的电流会慢慢升高,直至由Q1导通时间、电感器间电压和电感器值共同决定的峰值电流。在Q1导通阶段,电能存储在输出电感器中,而电荷则提供给输出电容器。图3中标黄的区域显示的是对应于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,开关损耗近可忽略。

接下来,在不足10ns的极短体二极管导通时间后,Q1会迅速关断。该体二极管传导时间所增加的功耗可以忽略。在体二极管电流换向时,Q1会发生与峰值电感器电流成比例的关断损耗。接着Q2会开启,而且贮存在输出电感器中的能量会提供给负载和输出电容器。在电感器电流下降到零时,同步MOSFET Q2会保持导通,直至将一些能量存储在输出电容器的输出电感器中为止。这表现为电感器电流略变为负。Q2导通阶段及等效电路参见图3的蓝色阴影区。

在控制器确定电感器中贮存有足够的能量后,同步MOSFET会关断,箝位开关会开启,从而会将VS节点钳至VOUT。箝位开关不仅可将输出电感器电流与输出隔离开来,同时还能够近乎无损耗地以电流方式循环贮存能量。在极短的箝位时间段里,输出由输出电容器提供。

在箝位阶段结束时,箝位开关断开。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,减少Q2的寄生米勒电荷并为Q2的寄生输出电容充电。这允许Q1在VS节点接近VIN时,无损开启。包括谐振过渡和等效电路在内的钳位工作阶段显示为绿色区域。这里需要指出的是,当箝位开关导通时,电流按粉色电流环路循环;当钳位开关断开时,电流则按红色箭头流动。

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图3:ZVS的工作原理(图源:Vicor)

从图4中可看到采用ZVS软开关技术后,对于消除了转换器高侧器件开启时的大电压尖峰和振铃,有非常明显的效果。

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图4:ZVS软开关(a)与硬开关转换器(b)架构的波形比较(图源:Vicor)

归纳一下采用ZVS技术可以为niPOL稳压器性能提升带来的价值:

  • 基本上消除了开启损耗。
  • 只要有箝位阶段,在高侧MOSFET开启前就不会需要高反向恢复电流的体二极管导通。
  • 高侧MOSFET栅极驱动不受寄生电感的影响。由于ZVS的作用以及无开启电流冲击,高侧MOSFET开启时消除了米勒效应,这有助于缩小高侧栅极驱动器的尺寸,并减少功耗。
  • 低开关损耗使得转换器可以在更高的频率下工作。许多ZVS软开关产品的速度要比硬开关产品快2-3倍,有利于进一步减小系统体积和增加功率密度。

Vicor ZVS稳压器系列

人们对ZVS的上述性能优势早有认识,不过想要真正“吃透”这个软开关技术,并在产品中成功应用,且形成广泛的产品线,这样的实力“玩家”就不多了,Vicor公司就是其中的翘楚。

在多年前发现ZVS技术对于niPOL稳压器的价值之后,Vicor就一直在这个领域不辍耕耘,目前已经形成了涵盖12V、24V或48V输入电压的宽输入范围ZVS稳压器系列产品,包括降压稳压器和升降压稳压器两大类别,产品组合十分丰富。

1. 降压负载点稳压器系列

Vicor的niPOL降压开关稳压器已经形成了PI33/PI34/PI35xx三个系列,可以为电源工程师提供一个高效率、高功率密度和高灵活性的解决方案。这些降压稳压器在高密度系统级封装(SiP)中集成了控制电路、电源半导体和支持组件,并可通过配置,在恒流模式下工作。

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图5:ZVS降压稳压器的典型应用(图源:Vicor)

得益于采用了ZVS软开关拓扑,ZVS降压稳压器能够在高输入电压和大降压转化比例的情况下,提供高达98%的效率。以下分别展示了PI34xx(输入电压12V)、PI33xx(输入电压24V)、PI35xx(输入电压48V)系列代表产品的效率表现。

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软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?

软开关,如何成为niPOL稳压器性能提升的硬道理?
图6:PI33/PI34/PI35xx系列降压稳压器的效率表现(图源:Vicor)

同时,由于支持更高的开关频率,ZVS降压稳压器可以选择更小的外围滤波元件,在获得更佳动态响应的同时提高功率密度。

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图7:PI33xx出色的高频特性有利于实现系统小型化(图源:Vicor)

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2. 升降压负载点稳压器系列

在ZVS降压稳压器成功的基础上,Vicor还推出了升降压负载点稳压器PI37xx系列。在宽输入范围下,该系列的稳压器可提供高效率的升降压转换。以PI3740系列为例,其输入电压范围可达8-60V,输出为10-50V。

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图8:PI37xx系列升降压负载点稳压器(图源:Vicor)

与其他采用ZVS技术的产品类似,PI37xx系列稳压器不仅可在不影响效率的情况下,保持高达额定输入电压的高开关频率,而且还支持大的DC-DC转换比,效率可以达到98%(>800kHz FSW)。

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图9:PI37xx系列升降压负载点稳压器的效率表现(图源:Vicor)

凭借产品的高集成度,PI37xx只需一个外部电感器和极少量的电容器,即可形成完整的DC-DC开关模式升降压稳压器。同时,优化的高开关频率特性同样可以缩小外部滤波组件的尺寸,提高功率密度,并可实现针对线路及负载瞬态的极快速动态响应。

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图10:PI37xx系列升降压负载点稳压器的典型应用(图源:Vicor)

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总之,ZVS软开关技术为niPOL稳压器在效率、速度、功率密度等方面全面的性能提升,提供了一个非常“硬核”的解决方案。而Vicor将这个技术成功地运用到了ZVS稳压器广泛的产品线中,为电源工程师提供更丰富的技术资源选项。

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