更高的集成度、更低的EMI、更高的效率，更快的速度……這些都是電源工程師在設計一個電源系統時面對的目標。但是令人撓頭的是，這些目標彼此之間常常互為矛盾體，無法兼得，因此如果沒有新技術的加持，沒有順手的電源管理器件可用，工程師只能無奈做折中，最終交付一個可用但不那么完美的設計。

同樣的挑戰，也發生在非隔離負載點（niPOL）穩壓器領域。在電源系統中，niPOL穩壓器的作用是將總線電壓轉換為負載點所需的直流電壓，應用十分廣泛。應用的擴展也在推動相關技術的進步，高集成度、MOSFET、封裝等方面的精進，使得niPOL穩壓器在小型化、高功率密度等方面不斷演進。不過在這個過程中，一直有一個困擾電源工程師的問題，那就是穩壓器中MOSFET的開關功耗。

niPOL穩壓器的設計挑戰

圖1是一個典型的同步降壓穩壓器的拓撲結構，由于其是通過MOSFET的開啟/關斷完成能量的轉換，也被稱為“硬開關”轉換器。從其工作原理我們可以分析出，其開關損耗主要是由于功率傳送系統的高側MOSFET的導通特性和米勒柵極電荷，以及體二極管的傳導損耗。

圖1：典型的“硬開關”同步降壓穩壓器的拓撲結構

（圖源：Vicor）

由于在硬開關轉換器的高側MOSFET兩端有很高的電壓，在降壓轉換器關-開過渡期間，高側MOSFET中會產生很大的功率損耗，同時也激勵了寄生電感，這將導致開關瞬態和高頻率振鈴。這個功率損耗與輸入電壓密切相關：輸入電壓越大，功率損耗越高；電壓轉換比越大，穩壓器的效率也會越差。而大家知道，目前總線電壓越來越高，48V總線也越來越普遍，硬開關轉化器的這個特點無疑會拖整個電源系統效率的后腿。因此在針對一些高電壓、大轉換比的應用時，為了滿足總能效的要求，電源工程師不得不采用多級轉換架構，但這顯然會增加系統的復雜性和尺寸，與系統優化的目標背道而馳。

這種開關損耗帶來的另一個負作用就是限制了開關頻率的提升，因為更頻繁的開關動作勢必會導致總功耗的增加。而眾所周知，開關頻率更高的系統可以選用更小的無源元件，有利于進一步“壓縮”系統的尺寸，因此開關損耗對于提高系統功率密度、實現小型化也是不利的。

所以克服硬開關轉化器的功率損耗，也就成了提升niPOL穩壓器性能的一個重要課題。而一個可行且已經過實踐驗證的辦法就是使用“軟開關”。雖然與傳統的硬開關架構相比，軟開關需要更復雜的控制電路，但是由于其可以實現開關時間和開關波形的協調，規避掉影響開關損耗的幾個主要因素，很值得一試。

用ZVS軟開關替代硬開關

ZVS（零電壓開關）就是這樣一個“軟開關”的范例。顧名思義，“零電壓開關”就是通過精準的控制，令開關兩端的電壓為零或接近于零時，切換高側MOSFET開關狀態，這樣就消除了高側MOSFET的導通間隔期間功率損耗和電壓轉換率之間的關聯。

從圖2看，ZVS降壓穩壓器與傳統的硬開關拓撲相比，主要變化是在輸出電感上跨接了一個箝位開關，其主要目的是讓輸出電感器中貯存的能量能夠用于執行零電壓開關操作。

圖2：ZVS“軟開關”同步降壓穩壓器的拓撲結構

（圖源：Vicor）

這個過程究竟是如何實現的？且看下面詳細講解↓↓↓

ZVS降壓拓撲基本有三大狀態，它們被定義為Q1導通階段、Q2導通階段和箝位階段。要了解零電壓開關的工作原理，我們必須假定在諧振過渡后Q1在近乎零電壓下開啟。在D-S電壓接近零時，Q1在零電流下開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流會慢慢升高，直至由Q1導通時間、電感器間電壓和電感器值共同決定的峰值電流。在Q1導通階段，電能存儲在輸出電感器中，而電荷則提供給輸出電容器。圖3中標黃的區域顯示的是對應于Q1導通階段的等效電路及電流。在Q1導通階段，Q1的功耗由MOSFET導通電阻主導，開關損耗近可忽略。

接下來，在不足10ns的極短體二極管導通時間后，Q1會迅速關斷。該體二極管傳導時間所增加的功耗可以忽略。在體二極管電流換向時，Q1會發生與峰值電感器電流成比例的關斷損耗。接著Q2會開啟，而且貯存在輸出電感器中的能量會提供給負載和輸出電容器。在電感器電流下降到零時，同步MOSFET Q2會保持導通，直至將一些能量存儲在輸出電容器的輸出電感器中為止。這表現為電感器電流略變為負。Q2導通階段及等效電路參見圖3的藍色陰影區。

在控制器確定電感器中貯存有足夠的能量后，同步MOSFET會關斷，箝位開關會開啟，從而會將VS節點鉗至VOUT。箝位開關不僅可將輸出電感器電流與輸出隔離開來，同時還能夠近乎無損耗地以電流方式循環貯存能量。在極短的箝位時間段里，輸出由輸出電容器提供。

在箝位階段結束時，箝位開關斷開。輸出電感器中存儲的能量會與Q1及Q2輸出電容的并行組合諧振，導致VS節點電壓諧振到VIN的幅值。這種振鈴會為Q1的寄生輸出電容放電，減少Q2的寄生米勒電荷并為Q2的寄生輸出電容充電。這允許Q1在VS節點接近VIN時，無損開啟。包括諧振過渡和等效電路在內的鉗位工作階段顯示為綠色區域。這里需要指出的是，當箝位開關導通時，電流按粉色電流環路循環；當鉗位開關斷開時，電流則按紅色箭頭流動。

圖3：ZVS的工作原理（圖源：Vicor）

從圖4中可看到采用ZVS軟開關技術后，對于消除了轉換器高側器件開啟時的大電壓尖峰和振鈴，有非常明顯的效果。

圖4：ZVS軟開關（a）與硬開關轉換器（b）架構的波形比較（圖源：Vicor）

歸納一下采用ZVS技術可以為niPOL穩壓器性能提升帶來的價值：

基本上消除了開啟損耗。

只要有箝位階段，在高側MOSFET開啟前就不會需要高反向恢復電流的體二極管導通。

高側MOSFET柵極驅動不受寄生電感的影響。由于ZVS的作用以及無開啟電流沖擊，高側MOSFET開啟時消除了米勒效應，這有助于縮小高側柵極驅動器的尺寸，并減少功耗。

低開關損耗使得轉換器可以在更高的頻率下工作。許多ZVS軟開關產品的速度要比硬開關產品快2-3倍，有利于進一步減小系統體積和增加功率密度。

Vicor ZVS穩壓器系列

人們對ZVS的上述性能優勢早有認識，不過想要真正“吃透”這個軟開關技術，并在產品中成功應用，且形成廣泛的產品線，這樣的實力“玩家”就不多了，Vicor公司就是其中的翹楚。

在多年前發現ZVS技術對于niPOL穩壓器的價值之后，Vicor就一直在這個領域不輟耕耘，目前已經形成了涵蓋12V、24V或48V輸入電壓的寬輸入范圍ZVS穩壓器系列產品，包括降壓穩壓器和升降壓穩壓器兩大類別，產品組合十分豐富。

1 降壓負載點穩壓器系列

Vicor的niPOL降壓開關穩壓器已經形成了PI33/PI34/PI35xx三個系列，可以為電源工程師提供一個高效率、高功率密度和高靈活性的解決方案。這些降壓穩壓器在高密度系統級封裝（SiP）中集成了控制電路、電源半導體和支持組件，并可通過配置，在恒流模式下工作。

圖5：ZVS降壓穩壓器的典型應用

（圖源：Vicor）

得益于采用了ZVS軟開關拓撲，ZVS降壓穩壓器能夠在高輸入電壓和大降壓轉化比例的情況下，提供高達98%的效率。以下分別展示了PI34xx（輸入電壓12V）、PI33xx（輸入電壓24V）、PI35xx（輸入電壓48V）系列代表產品的效率表現。

圖6：PI33/PI34/PI35xx系列降壓穩壓器的效率表現

（圖源：Vicor）

同時，由于支持更高的開關頻率，ZVS降壓穩壓器可以選擇更小的外圍濾波元件，在獲得更佳動態響應的同時提高功率密度。

圖7：PI33xx出色的高頻特性有利于實現系統小型化

（圖源：Vicor）

2 升降壓負載點穩壓器系列

在ZVS降壓穩壓器成功的基礎上，Vicor還推出了升降壓負載點穩壓器PI37xx系列。在寬輸入范圍下，該系列的穩壓器可提供高效率的升降壓轉換。以PI3740系列為例，其輸入電壓范圍可達8-60V，輸出為10-50V。

圖8：PI37xx系列升降壓負載點穩壓器

（圖源：Vicor）

與其他采用ZVS技術的產品類似，PI37xx系列穩壓器不僅可在不影響效率的情況下，保持高達額定輸入電壓的高開關頻率，而且還支持大的DC-DC轉換比，效率可以達到98%（>800kHz FSW）。

圖9：PI37xx系列升降壓負載點穩壓器的效率表現

（圖源：Vicor）

憑借產品的高集成度，PI37xx只需一個外部電感器和極少量的電容器，即可形成完整的DC-DC開關模式升降壓穩壓器。同時，優化的高開關頻率特性同樣可以縮小外部濾波組件的尺寸，提高功率密度，并可實現針對線路及負載瞬態的極快速動態響應。

圖10：PI37xx系列升降壓負載點穩壓器的典型應用

（圖源：Vicor）